류마티스 관절염 기전탐구 .. 활막세포, metabolic reprogramming, 염증의 증폭, 유지..

[문형철]

오늘

37세 여성, 류마티스 관절염으로

9개월을 먹던

듀록정(성분명: 황산히드록시클로로퀸)은 주로 류마티스 관절염이나 루푸스와 같은 자가면역 질환의 증상을 완화하고 조절하는 데 사용하는 전문의약품)을 끊은 환자가

완치를 하지 못하고 

허리통증, 목통증, 류마티스 관절염 증상으로 찾아왔다.

놀랍게도 자가면역질환, 류마티스 관절염을

스스로 상당한 치유효과를 낸 것이다!!

https://www.youtube.com/watch?v=1L7T2PR4V3c&t=2s 

https://cafe.daum.net/panicbird/QzZ4/594

Re: 적혈구세포 면역 보초(immune sentinel) 로 기능 .. 최신 논문 탐구들!!

https://cafe.daum.net/panicbird/QzZ4/592

피가 바뀌는 시간!! 4개월(120일) 수명 적혈구 탐구 .. 정리중!!

우리 몸 30조개의 세포중 20조개가 넘는 적혈구 수명

4개월이 1차 치료기간이다!!

이 논문은 2018년 Arthritis & Rheumatology에 게재된 리뷰 논문으로,

류마티스 관절염(Rheumatoid Arthritis, RA)에서

활막세포(synovial cells)의 대사 변화(metabolic reprogramming)가

어떻게 만성 염증(chronic inflammation)을 유지하고 증폭시키는지

체계적으로 정리한 중요한 고찰입니다.

1. 배경: RA에서 활막의 병리학적 특징

류마티스 관절염의 핵심 병변은 활막(synovium).

정상 활막은 얇은 1~2층의 lining layer로 구성되지만,

RA(류마티스 관절염)에서는:

• 활막 비후(hyperplasia): fibroblast-like synoviocytes(FLS, 섬유아세포 유사 활막세포)가 침윤성으로 증식.
• 염증세포 침윤: 대식세포(macrophages), T세포, B세포, 호중구 등이 대량 유입.
• 파괴적 표현형: FLS가 matrix metalloproteinase(MMP), RANKL 등을 과발현하여 연골·골 파괴를 주도.

이 과정에서

류마티스 관절염은

단순한 “염증 사이토카인 폭풍”이 아니라,

세포 내 대사 재프로그래밍(metabolic reprogramming)이

핵심 동력으로 작용한다는 것이 최근 10여 년간의 중요한 발견입니다.

1. 전체 구조와 시간 축(Time axis)

• 가로축은 질병 진행 시간(년 단위)을 나타냅니다.
  • 정상 활막(Normal Synovium) → 일시적 염증/초기 RA(Transiently Inflamed/Early RA) → 후기 RA(Late Stage RA) → 암성 조직(Cancerous Tissue).
• 화살표(초록 → 빨강)는 FLS의 표현형 변화가 점진적으로 종양 세포처럼 변하는 과정을 강조합니다.

2. 주요 세포 구성 요소 비교

(1) Fibroblast-like Synoviocytes (FLS, 섬유아세포 유사 활막세포) – “주인공”

• 정상 활막: Non-activated, Healthy, Quiescent(비증식성), Non-migratory/invasive. 대사적으로 안정적.
• 초기 RA: Acutely activated. 아직 증식·이동·침윤 여부는 불확실(“?” 표시). 대사적으로는 Glycolysis(당분해)가 시작되지만 완전하지 않음.
• 후기 RA: Chronically activated, ROS Damaged(산화 스트레스 손상), Proliferative(증식성), Migratory/Invasive(이동·침윤성). Glycolysis가 강하게 활성화됨. → 종양 세포와 가장 유사.
• 암성 조직: Fully Activated, ROS Damaged, Proliferative, Migratory. 역시 Glycolysis 우세 (Warburg 효과).

→ 핵심 메시지: RA 후기 단계의 FLS는 암세포처럼 침윤성·파괴적 표현형을 획득하며, 이는 단순 염증이 아니라 대사 재프로그래밍(metabolic reprogramming)에 의해 구동됩니다.

RA는
단순한 “자가면역 질환”을 넘어, FLS가 후천적으로 후성유전학적(epigenetically) 각인되어
침윤성·파괴적 표현형을 영구적으로 획득하는 종양 유사 질환으로 재정의되어야 한다.

이 “악성” FLS가
활막을 과증식(hyperplastic)시키고,
연골·골 파괴를 주도하며,
만성 염증을 지속시키는 주범이라는 것이다.

주요 내용 요약

1. FLS의 병리적 변화 (Pathological Phenotype)
   • 정상 FLS: 관절 윤활액 생산, 세포외기질 유지, 비증식·비침윤성.
   • RA FLS:
     • 후성유전학적 재프로그래밍 (DNA methylation, histone modification, non-coding RNA 변화)
     • 지속적인 증식 (proliferation)
     • 침윤 및 연골·골 침식 (invasion & destruction)
     • 사이토카인·케모카인·프로테아제(MMPs, ADAMTS 등) 과다 생산
     • apoptosis 저항성 (죽지 않음) → 이러한 변화는 일단 형성되면 염증이 사라져도 유지되는 “기억( memory )” 성질을 가짐.
2. FLS의 이질성 (Heterogeneity)
   • 최근 single-cell RNA-seq, multi-omics 연구를 통해 RA 활막 내 FLS가 여러 서브셋(subsets)으로 나뉜다는 것이 밝혀짐.
   • 예: 침윤성 서브셋 (invasive), 염증 유발 서브셋 (inflammatory), 골 파괴 관련 서브셋 등.
   • 환자 개개인, 심지어 같은 환자의 서로 다른 관절 사이에서도 FLS 표현형이 다름 (joint-specific differences).
3. FLS가 만성 염증을 유지하는 기전
   • 사이토카인 생산 (IL-6, TNF, GM-CSF 등)
   • 면역세포(대식세포, T세포 등) 모집 및 활성화
   • Pannus 형성 (종양처럼 자라는 파괴 조직)
   • 대사 재프로그래밍 (glycolysis, glutaminolysis 등) – 이전 논문(Falconer et al.)과 잘 연결됨
4. 치료적 함의: FLS 표적 치료의 미래
   • 기존 치료(DMARDs, biologics)는 주로 면역세포와 사이토카인을 억제하지만, 이미 각인된 FLS의 병리적 표현형은 잘 교정하지 못함.
   • 따라서 FLS-specific targeting이 필요:
     • 후성유전학적 조절제 (epigenetic modifiers: HDAC inhibitors, DNA methyltransferase inhibitors 등)
     • FLS 서브셋 특이적 표적 (예: 특정 surface marker나 transcription factor)
     • 대사 경로 억제 (HIF-1α, mTOR, glycolysis 관련)
     • FLS의 apoptosis 유도
     • multi-omics 기반 개인맞춤형 치료 (precision medicine)

논문의 가장 중요한 결론 (한 줄 요약) “RA에서 활막 항상성(synovial homeostasis)을 회복하려면, 단순히 염증을 억제하는 것을 넘어 병적으로 재프로그래밍된 FLS를 직접 표적화하거나 정상화하는 전략이 필수적이다.”



(2) Macrophage Phenotype (대식세포 표현형)

• 정상: Quiescent, resident M0. 단핵구 침윤 없음. 저염증 환경.
• 초기 RA: Activated, resident M0 + monocyte infiltration. 급성 면역 침윤.
• 후기 RA: Activated, resident M0 + monocyte infiltration. 만성 면역 침윤. 저산소(hypoxia, ≤1% O₂), 저영양, 고사이토카인 환경.
• 암성 조직: Cooperative resident M0 (종양-관련 대식세포, TAM-like). 면역 억제(infiltrated but suppressed). 극저산소(≥0.5% O₂), 고사이토카인, 영양 부족.

대식세포도 RA 후기·암에서 M0 → pro-inflammatory / tumor-promoting 방향으로 변화하며, FLS와 협력(cooperative)합니다.

(3) 미세환경 특징 (Microenvironment)

• 정상: 8% O₂ (상대적 정상 산소), 영양 풍부, 저사이토카인, 강한 면역 감시.
• 초기 RA: ?% O₂, 급성 사이토카인 폭풍.
• 후기 RA: 저산소(≤1% O₂), 영양 부족, 만성 고사이토카인 → 지속적 염증 루프.
• 암: 극저산소, 영양 부족, 고사이토카인, 면역 억제.

이 환경은
HIF-1α 안정화 → glycolysis 유도 → ROS 증가 → 추가 대사 스트레스라는
악순환을 만듭니다.

3. 대사적 유사성 (Metabolic Similarity)

논문의 핵심 주제 그림에서 모든 단계의 FLS 안에 Glycolysis가 강조되어 있습니다.
특히 후기 RA와 암에서 두드러집니다.

• RA 활막은 종양처럼 호기성 당분해(aerobic glycolysis, Warburg 효과)로 전환.
• 이유: 빠른 에너지 공급 + 생합성 중간체 확보 + 산화 스트레스 적응.
• 결과: 젖산 축적 → 산성 환경 → 추가 염증·침윤 촉진.
• FLS가 “에너지 공장” 역할을 하며 주변 대식세포·면역세포에게 대사 물질을 공급하는 reverse Warburg effect 가능성도 후속 연구에서 제기됩니다.

이 대사 변화는 FLS를 “암 관련 섬유아세포(CAF)”와 매우 유사하게 만듭니다.
둘 다 apoptosis 저항성, 증식, MMP 분비, 침윤, HIF-1α 의존적 glycolysis를 보입니다.

4. 왜 중요한가? (대학원생 관점에서의 함의)

• RA를 “자가면역 질환”뿐 아니라 국소적 종양 유사 질환(local neoplastic-like disease)으로 이해하게 해줍니다. 따라서 기존 DMARDs나 biologics 외에 대사 표적 치료(metabolic targeting)가 새로운 전략이 될 수 있습니다.
  • 예: Glycolysis 억제제(2-DG, PFKFB3 inhibitor), GLS(glutaminase) 억제제, HIF-1α 억제제, mTOR 억제제 등.
• 종양 미세환경 연구(예: TAM, hypoxia, CAF)에서 얻은 지식을 RA 치료에 적용할 수 있는 translational bridge를 제공.
• FLS의 이질성(heterogeneity)와 대사적 적응이 질병 만성화의 핵심임을 시사 → 단일 표적 치료의 한계를 설명.

요약 한 줄
RA 후기 활막은 저산소·고염증·영양 부족 환경에서
FLS가 종양 세포처럼 glycolysis로 전환하고 침윤·증식하며,
대식세포와 협력하여 만성 염증을 자가증폭시키는 종양 유사 미세환경을 형성한다.

이 그림은 단순한 비교가 아니라,
면역-대사학(immunometabolism)과 종양생물학의 융합을 통해
RA 치료의 새로운 패러다임을 제시하는 핵심 도식입니다.

2. 활막세포의 대사 변화와 그 기전 (주요 내용)

(1) 에너지 대사 재프로그래밍 (Warburg-like effect)

• 정상 세포는 산소가 충분할 때 산화적 인산화(oxidative phosphorylation, OXPHOS)를 주로 이용하지만, RA 활막세포(특히 FLS와 대식세포)는 호기성 당분해(aerobic glycolysis, Warburg 효과)로 전환합니다.
• 이유: 빠른 ATP 생산, 생합성 중간체(biosynthetic intermediates) 공급, 산화 스트레스에 대한 적응.
• 결과: 젖산(lactate) 과다 생성 → 관절 내 산성 환경(pH 저하) → 추가적인 염증 증폭 및 세포 침윤 촉진.

(2) 주요 대사 경로의 변화

• 당분해(glycolysis): HK2(hexokinase 2), PFKFB3, LDHA 등의 효소가 과발현. HIF-1α(hypoxia-inducible factor-1α)가 이를 강력하게 조절.
• 지질 대사(lipid metabolism): FAS(fatty acid synthesis) 증가, 콜레스테롤 축적 → 대식세포의 foam cell-like 변화.
• 미토콘드리아 기능 이상: OXPHOS 감소, ROS(reactive oxygen species) 과생성, 미토콘드리아 생합성(m biogenesis) 조절 이상.
• 아미노산 대사: 글루타민(glutamine) 의존성 증가 (glutaminolysis). GLS(glutaminase) 억제 시 FLS의 증식과 침윤이 억제됨.
• 하나탄산염 대사(one-carbon metabolism): 핵산·단백질 합성에 필수적이며, RA에서 과활성화.

이러한 대사 변화는

면역-대사 축(immunometabolism)의 전형적인 예로,

단순한 결과가 아니라 적극적인 염증 유지 인자로 작용합니다.

(3) 대사 변화 ↔ 만성 염증의 양방향 피드백 루프

• 염증 사이토카인 → 대사 변화: TNF-α, IL-1β, IL-6 등이 HIF-1α, mTOR, c-Myc 등의 전사인자를 활성화하여 대사 효소 발현을 유도.
• 대사 변화 → 염증 증폭:
  • 젖산 → NLRP3 인플라마솜 활성화 → IL-1β 분비 증가.
  • succinate 축적 → HIF-1α 안정화 → 추가 염증.
  • itaconate, fumarate 등의 TCA cycle 중간체가 면역 세포의 표현형(예: M1 vs M2 대식세포)을 조절.
• 결과적으로 염증이 해소되지 않고 자가증폭(self-perpetuating)되는 악순환 형성.

(4) 세포 종류별 특징

• FLS (Fibroblast-like synoviocytes): 침윤성·파괴적 표현형으로 전환. glycolysis와 glutaminolysis가 특히 중요. 최근에는 FLS의 대사적 이질성(heterogeneity)도 주목.
• Macrophages (대식세포): M1-like (pro-inflammatory) 표현형에서 glycolysis가 우세. RA 관절 내에서는 대식세포도 Warburg 대사를 보임.
• T세포: effector T세포(특히 Th17)는 glycolysis에 의존, regulatory T세포(Treg)는 OXPHOS와 지방산 산화에 의존 → 대사 조절로 면역 균형이 깨짐.

3. 치료적 함의 (Therapeutic Targeting)

이 리뷰의 가장 중요한 메시지는 대사 경로를 표적으로 하는 새로운 치료 전략의 가능성입니다:

• Glycolysis 억제제: 2-DG(2-deoxyglucose), PFKFB3 억제제 등.
• Glutaminolysis 억제: GLS 억제제 (CB-839 등, 현재 암 치료제로 개발 중).
• mTOR 억제제: rapamycin 유도체 (이미 일부 류마티스 질환에 사용).
• HIF-1α 억제제, succinate dehydrogenase 조절 등.
• 기존 약제(DMARDs, biologics)도 간접적으로 대사에 영향을 미침이 밝혀짐.

현재는

아직 임상 단계 초기지만, 면역-대사학(immunometabolism) 분야의 급속한 발전으로

향후 RA 치료 패러다임 변화가 기대됩니다.

요약 (대학원생 관점에서 한 줄)

류마티스 관절염에서 활막세포는 단순한 “염증 반응자”가 아니라, 대사 재프로그래밍을 통해 스스로 만성 염증을 유지·증폭시키는 능동적 주체이며, 이 대사 축을 표적으로 하는 치료는 기존 면역억제제의 한계를 넘어설 수 있는 차세대 전략이다.

Arthritis Rheumatol

. Author manuscript; available in PMC: 2019 Jul 1.

Published in final edited form as: Arthritis Rheumatol. 2018 Jun 4;70(7):984–999. doi: 10.1002/art.40504

Synovial cell metabolism and chronic inflammation in rheumatoid arthritis

Jane Falconer 1, Anne N Murphy 2, Stephen Young 1, Andrew R Clark 1, Stefano Tiziani 3, Monica Guma 4,6, Christopher D Buckley 1,5,6

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PMCID: PMC6019623  NIHMSID: NIHMS952862  PMID: 29579371

The publisher's version of this article is available at Arthritis Rheumatol

Abstract

Metabolomic studies of body fluids show that immune-mediated inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis (RA) are associated with metabolic disruption. This is likely to reflect the increased bioenergetic and biosynthetic demands of sustained inflammation and changes to nutrient and oxygen availability in damaged tissue. The synovial membrane lining layer is the principle site of inflammation in RA. Here the resident cells are the fibroblast-like synoviocytes (FLS) and the synovial tissue macrophages (STM), which are transformed toward overproduction of enzymes which degrade cartilage and bone, and cytokines which promote immune cell infiltration. Recent studies have shown metabolic changes in both FLS and macrophages from RA patients and these may be therapeutically targetable. However, as the origins and subset specific functions of synoviocytes are poorly understood and the signaling modules which control metabolic deviation in RA synovial cells are yet to be explored, significant additional research is needed to translate these findings toward clinical application. Furthermore, in many inflamed tissues, different cell types can forge metabolic collaborations through solute carriers (SLC) in their membranes, to meet a high demand for energy or biomolecules. Such relationships are likely to exist in the synovium and are yet to be explored. Finally, it is not yet known whether metabolic change is a consequence of disease or if primary changes to cellular metabolism might underlie or contribute to early stage disease pathogenesis. This article collates what is known about metabolism in synovial tissue cells and highlights future research directions in this area.

대사체학(metabolomic) 연구에 따르면,

류마티스 관절염(RA)과 같은 면역 매개 염증 질환은

대사 장애(metabolic disruption)와 연관되어 있다.

이는 지속적인 염증으로 인한 생에너지(bioenergetic) 및 생합성(biosynthetic) 수요 증가,

그리고 손상된 조직에서의 영양소와 산소 가용성 변화 등을 반영하는 것으로 보인다.

류마티스 관절염에서 염증의 주된 장소는

활막(synovial membrane)의 lining layer이다.

이곳의 주된 주민 세포는

섬유아세포 유사 활막세포(fibroblast-like synoviocytes, FLS)와

활막 조직 대식세포(synovial tissue macrophages, STM)로,

이들은 연골과 골을 분해하는 효소와 면역세포 침윤을 촉진하는 사이토카인을 과다 생산하는 방향으로 변형된다.

최근 연구들은

RA 환자의 FLS와 대식세포 모두에서 대사 변화가 발생하며,

이러한 변화가 치료 표적으로 활용될 가능성이 있음을 보여주고 있다.

그러나

활막세포의 기원과 서브셋별 기능은 아직 충분히 이해되지 않았고,

RA 활막 세포에서 대사 편차(metabolic deviation)를 조절하는 신호 모듈(signaling modules) 또한 탐색되지 않은 상태이다.

따라서

이러한 발견을 임상 적용으로 이어가기 위해서는 상당한 추가 연구가 필요하다.

또한, 많은 염증 조직에서는

서로 다른 세포 유형들이 세포막에 존재하는 용질 운반체(solute carriers, SLC)를 통해

에너지나 생체 분자에 대한 높은 수요를 충족시키기 위해

대사적 협력(metabolic collaborations)을 형성한다.

이러한 관계는

활막 내에서도 존재할 가능성이 높으나 아직 탐색되지 않았다.

마지막으로,

대사 변화가 질병의 결과인지,

아니면 세포 대사의 일차적 변화가 초기 질병 발병 기전에 기여하거나 그 원인이 될 수 있는지는 아직 밝혀지지 않았다.

본 논문은

활막 조직 세포의 대사에 대해 현재 알려진 내용을 종합하고,

이 분야의 미래 연구 방향을 제시한다

Introduction

Rheumatoid arthritis (RA) is a systemic chronic inflammatory disease which principally manifests in the articular joints. Recent research has yielded biological therapies and small molecules to target signaling pathways and pathogenic components involved in inflammation and immunity, but in spite of these reasonably successful treatments, very few RA patients are able to achieve and stay in a state of drug-free remission. Innovative strategies are needed to obtain new insights into mechanisms which underlie disease pathogenesis and to identify potential new treatments.

In fields such as oncology, the concept of undermining or reprogramming metabolism to improve patient outcomes is established and we and others believe the potential is great to adopt similar strategies in immune-mediated inflammatory diseases (IMID) (1, 2). For three decades researchers have hypothesized an intermediate role for metabolic alterations and local hypoxia in RA pathology (3, 4). Indeed, RA and related IMID are associated with systemically measurable metabolic disruption. This is likely to reflect the increased bioenergetic and biosynthetic demand placed on immune and stromal cells in a chronically activated state. We now have the tools to better understand and translate past observations and to explore our hypothesis that metabolic deviation in synovial cells has a role in early pathogenesis rather than being a consequence of tissue damage. Qualitative changes to cellular metabolism are indeed essential to support physiological and pathological responses seen in the RA synovium and we describe these changes below. RA-associated characteristics include proliferation, migration and invasion that are hallmarks of activated fibroblast-like synoviocyte (FLS) behavior, and also proinflammatory mediator production characteristic of activated synovial tissue macrophages (STM) (5–7). The phenotypic transformation of FLS from a quiescent cell to an aggressive, metabolically active cell, the activation of STM, and the increasingly hypoxic and nutrient deprived microenvironment which develops in the RA joint are characteristics which closely resemble those seen in solid tumors.

Immunometabolism research has recently expanded in the footsteps of the more advanced cancer metabolism literature and this has led to the identification of potential new drug targets for immune-mediated pathologies(1, 8). Limitation of metabolic substrate availability, modulation of signaling pathways which control metabolism and targeting of channels through which metabolic intermediates are shared are exciting new strategies for treatment. Since there is now a widespread acceptance that the future of RA treatment may lie in targeting the synovial tissue and in particular the stromal microenvironment, it is logical to apply these new therapies here (9, 10). In this review, we describe our current knowledge of synovial metabolism and the therapeutic opportunities this field might present. We focus upon the FLS and STM which together form a destructive frontier and whose aberrant behavior is underpinned by pathological metabolic changes.

서론

류마티스 관절염(Rheumatoid arthritis, RA)은

주로 관절에 나타나는 전신 만성 염증성 질환이다.

최근 연구를 통해

염증과 면역에 관여하는 신호 경로와 병원성 요소를 표적하는 생물학적 제제와 저분자 화합물이 개발되었으나,

이러한 상당히 성공적인 치료에도 불구하고

약물 없이 관해 상태를 달성하고 유지하는 RA 환자는 극히 드물다.

따라서

질병 발병 기전을 새롭게 이해하고,

잠재적인 새로운 치료법을 발굴하기 위한 혁신적인 전략이 필요하다.

종양학(oncology) 분야에서는

대사를 약화시키거나 재프로그래밍하여 환자 결과를 개선하는 개념이 이미 확립되어 있으며,

우리 연구팀을 비롯한 여러 연구자들은

면역 매개 염증 질환(IMID)에서도 유사한 전략을 도입할 잠재력이 매우 크다고 믿고 있다(1, 2).

지난 30년 동안 연구자들은

RA 병태생리에서 대사 변화와 국소 저산소증(local hypoxia)이 중간 매개체 역할을 한다는 가설을 제기해 왔다(3, 4).

실제로 RA와 관련 IMID는 전신적으로 측정 가능한 대사 장애와 연관되어 있다.

이는

만성적으로 활성화된 상태에 있는 면역세포와 기질세포(stromal cells)에 가해지는

증가된 생에너지 및 생합성 수요를 반영하는 것으로 보인다.

이제 우리는 과거 관찰 결과를 더 잘 이해하고

이를 임상으로 전환할 수 있는 도구를 갖추게 되었으며,

활막 세포의 대사 편차(metabolic deviation)가 조직 손상의 결과가 아니라 초기 발병 기전에 기여할 가능성이 있다는

우리의 가설을 탐색할 수 있게 되었다.

세포 대사의 질적 변화는

실제로 RA 활막에서 관찰되는 생리적·병리적 반응을 뒷받침하는 데 필수적이며,

이에 대한 변화는 아래에서 기술한다.

RA와 관련된 특징으로는

활성화된 섬유아세포 유사 활막세포(fibroblast-like synoviocyte, FLS)의 행동에서 나타나는 증식, 이동, 침윤 등의 특징과,

활성화된 활막 조직 대식세포(synovial tissue macrophage, STM)의 특징인 전염증성 매개체 생산이 있다(5–7).

휴지기(quiescent) 세포였던 FLS가 공격적이고 대사적으로 활발한 세포로 표현형이 전환되는 것,

STM의 활성화, 그리고

RA 관절에서 발생하는 점점 심해지는 저산소 및 영양 부족 미세환경은

고형 종양(solid tumor)에서 관찰되는 특징과 매우 유사하다.

면역대사학(immunometabolism) 연구는

최근 보다 발전된 암 대사 연구의 뒤를 이어 급속히 확장되었으며,

이는 면역 매개 질환에 대한 새로운 약물 표적을 발굴하는 데 기여하고 있다(1, 8).

대사 기질의 가용성을 제한하거나, 대사를 조절하는 신호 경로를 조절하고,

대사 중간체가 공유되는 통로를 표적화하는 것은 치

료를 위한 흥미로운 새로운 전략이다.

RA 치료의 미래가 활막 조직,

특히 기질 미세환경(stromal microenvironment)을 표적하는 데 있을 것이라는 광범위한 공감대가 형성된 지금,

이러한 새로운 치료 전략을 여기에 적용하는 것은 논리적이다(9, 10).

본 리뷰에서는 활막 대사에 대한 현재 지식을 기술하고,

이 분야가 제시할 수 있는 치료 기회를 살펴본다.

우리는 파괴적인 최전선을 형성하며,

그 비정상적 행동이 병리적 대사 변화에 의해 뒷받침되는 FLS와 STM에 초점을 맞춘다.

A systemic metabolic phenotype in RA

Metabolic perturbations have long been associated with RA and the hallmark ‘calor’ (heat) observed in the rheumatoid joint is widely considered a consequence of metabolic activity. Daily resting whole body energy expenditure is 8% higher in RA than in healthy individuals suggesting these metabolic changes are significant and systemic (11). RA patients have an increased susceptibility to cardiovascular comorbidity and metabolic syndrome during the progression of their disease, associated with disruption of lipid and glucose metabolism (12). Furthermore, the catabolic condition ‘cachexia’ occurs in RA, with muscle atrophy and gain in fat associated with systemically elevated pro-inflammatory cytokines such as TNFα, IL-1β, LIF, IFNγ and IL-6 (13). Untargeted metabolomic studies of body fluids are helping to characterize the systemic observations alluded to above. These involve analysis of small molecules (<3kDa) usually using one-dimensional nuclear magnetic resonance (1D NMR) spectroscopy or mass spectrometry coupled to gas or liquid phase separation techniques, technologies which we have recently compared and eval‎uated (14). This approach has highlighted urinary metabolite signatures which can identify the six most preval‎ent immune-mediated inflammatory diseases (15), and a serum metabolite signature which correlates with C-reactive protein (CRP) level and associates metabolism with underlying inflammatory mechanisms (16). Serum (17) and synovial fluid (SF) (18, 19) metabolomic profiles have also demonstrated the potential to distinguish RA from psoriatic arthritis and other diseases (14). Furthermore, our data and that of others show that patient responses to biological therapies including etanercept and rituximab can be predicted from urine, serum and plasma metabolic profiles, highlighting the power of metabolomics in stratifying patients and directing RA treatment (20–22).

Since immune and stromal cells within the inflamed joints are known to produce inflammatory cytokines it is likely that they are contributing to the global metabolic phenotype in RA. However, the metabolic profiles of individual cell types involved in chronicity or resolution of inflammation have sparsely been elucidated. This will be important to link diseases associated metabolites to pathogenic processes and to gain a full understanding of RA pathogenesis.

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RA에서의 전신 대사 표현형 (A systemic metabolic phenotype in RA)

대사 교란(metabolic perturbations)은

오랫동안 RA와 연관되어 왔으며,

류마티스 관절에서 관찰되는 특징적인 ‘calor(열)’는 대사 활동의 결과로 널리 받아들여지고 있다.

RA 환자의 일일 안정 시 전신 에너지 소비량은 건

강한 사람보다 8% 높으며,

이는 이러한 대사 변화가 상당하고 전신적임을 시사한다(11).

RA 환자는

질병 진행 중에 심혈관계 동반질환과 대사증후군에 대한 감수성이 증가하며,

이는 지질과 포도당 대사의 장애와 관련이 있다(12).

또한 RA에서는 근육 위축과 지방 증가를 동반한 ‘악액질(cachexia)’이 발생하는데,

이는 TNFα, IL-1β, LIF, IFNγ, IL-6와 같은 전신적으로 상승된

전염증성 사이토카인과 관련이 있다(13).

표적화되지 않은 대사체학 연구(body fluid metabolomics)는

위에서 언급한 전신적 관찰을 특징화하는 데 도움을 주고 있다.

이는 주로

1차원 핵자기공명(1D NMR) 분광법이나 질량분석기와 가스·액체 크로마토그래피를 결합한 기술을 이용하여

3kDa 미만의 소분자를 분석하는 방법으로, 우리는 최근 이 기술들을 비교·평가한 바 있다(14).

이 접근법은

소변 대사체 지문을 통해 가장 흔한 6가지 면역 매개 염증 질환을 구별할 수 있게 해주었고(15),

혈청 대사체 지문은 C-반응성 단백질(CRP) 수치와 상관관계가 있으며

대사와 기저 염증 기전을 연결시켜 준다(16).

혈청(17)과 활액(synovial fluid, SF)(18, 19)의 대사체 프로파일 또한

RA를 건선 관절염 및 다른 질환과 구별하는 잠재력을 보여주었다(14).

또한 우리 연구팀과 다른 연구자들의 데이터는

에타너셉트(etanercept)와 리툭시맙(rituximab)을 포함한 생물학적 제제에 대한 환자 반응을

소변, 혈청, 혈장 대사 프로파일로부터 예측할 수 있음을 보여주며,

대사체학이 환자 층화(stratification)와 RA 치료 방향 결정에 가진 강력한 힘을 강조한다(20–22).

염증이 있는 관절 내의 면역세포와 기질세포가 염증성 사이토카인을 생산한다는 점을 고려할 때,

이들이 RA의 전반적인 대사 표현형에 기여하고 있을 가능성이 크다.

그러나

만성 염증의 지속 또는 해소에 관여하는 개별 세포 유형의 대사 프로파일은

아직 충분히 밝혀지지 않았다.

질병 관련 대사체를 병원성 과정과 연결하고

RA 발병 기전을 완전히 이해하기 위해서는 이러한 연구가 매우 중요하다.

The rheumatoid synovium

Though RA is a systemic disease, the major manifestation is joint pain and loss of function. The normal diarthrodial joint is lined with a thin, soft-tissue membrane, the synovium, which comprises a sublining and a thin intimal lining layer, and which produces and encapsulates a lubricating hyaluronic acid-rich fluid (23). Resident to the tissue are two heterogeneous and inadequately characterized cell types a) the STM; a mixed population of prenatally seeded cells and those which have differentiated from circulating monocytes (24, 25), and b) the FLS, mesenchymal-derived cells, which compared with fibroblasts in other anatomical locations, are characterized by the expression‎ of UDP-glucose 6-dehydrogenase, an enzyme required for the synthesis of hyaluronic acid, and of complement decay-accelerating factor (also known as CD55) (26). Collaborative networks such as the National Institutes for Health Accelerating Medicines Partnership are facilitating the effective digestion of tissue to obtain pure populations of FLS and STM. This combined with a growing profile of soluble and surface markers and revolutions in fate mapping and single cell analysis techniques is improving our ability to study and understand the functions of these important cells (27, 28).

The hallmark of RA is macroscopically visible change to the synovial lining layer which becomes inflamed, hyperplastic and invasive of local cartilage and bone (29). This is driven by a complex interaction between chronically activated and epigenetically transformed synoviocytes and infiltrating cells of the innate and adaptive immune system (5, 30). Both FLS and STM contribute to synovial inflammation by production of mediators which recruit and activate immune cells. Importantly, these cells also drive each other’s activation and survival by paracrine production of cytokines such as TNFα and GM-CSF (30). However, it is the FLS in the intimal lining which form the aggressive pannus and are the major effectors of tissue damage through production of extracellular matrix degrading enzymes such as matrix metalloproteinases and cathepsins (30).

Though the joint exists at an oxygen tension as low as 8% even in health, the microenvironment in RA is characterized by severe hypoxia at oxygen tensions which fall to below 1% (31). Nutrient availability is also low as immune cells and activated synoviocytes consume available resources at a rate which exceeds their delivery. Synovial angiogenesis, which is mediated by factors released by both FLS and STM and enhances the ingress of leukocytes into the synovial tissue, is insufficient, and the aggressive front formed by the hyperplastic synovial lining increases the distance between blood vessels and synoviocytes (32, 33). RA FLS are transformed from a quiescent state to an aggressive, invasive phenotype and they persist despite enrichment of apoptosis-inducing factors such as oxygen radicals, nitric oxide and cytokines supplied by activated STM. As such the synovium bears resemblance to tumor tissue and cells are likely to be subject to similarly elevated bioenergetic and biosynthetic demands to those seen in cancer. This comparison is summarized in Figure 1.

류마티스 활막 (The rheumatoid synovium)

RA는 전신 질환이지만,

주요 증상은 관절 통증과 기능 상실이다.

정상 윤활 관절(diarthrodial joint)은

얇고 부드러운 막인 활막(synovium)으로 둘러싸여 있으며,

이 활막은 아교질하층(sublining)과 얇은 내층(intimal lining layer)으로 구성되어 있고,

윤활 작용을 하는 히알루론산이 풍부한 액을 생산·봉입한다(23).

활막 조직에 상주하는

두 가지 이질적이고 아직 충분히 규명되지 않은 세포 유형은 다음과 같다:

a) 활막 조직 대식세포(STM) — 태아기부터 존재하는 세포와 순환 단핵구에서 분화한 세포가 혼합된 집단(24, 25),

b) 섬유아세포 유사 활막세포(FLS) — 중배엽 유래 세포로, 다른 해부학적 위치의 섬유아세포와 달리 히알루론산 합성에 필요한 효소인 UDP-glucose 6-dehydrogenase와 보체 붕괴 촉진 인자(complement decay-accelerating factor, CD55)를 발현하는 특징이 있다(26).

NIH Accelerating Medicines Partnership와 같은 협력 네트워크는 조직을 효과적으로 소화하여 순수한 FLS와 STM 집단을 얻는 것을 가능하게 하고 있다. 여기에 가용성 및 표면 마커 프로파일의 증가, 세포 운명 추적(fate mapping)과 단일세포 분석 기술의 혁명이 더해지면서 이 중요한 세포들의 기능을 연구하고 이해하는 능력이 크게 향상되고 있다(27, 28).

RA의 특징은

육안으로 관찰되는 활막 내층의 변화로,

염증이 생기고 과증식(hyperplastic)되며 주변 연골과 골을 침범(invasive)하는 것이다(29).

이는

만성적으로 활성화되고 후성유전학적으로 변형된 활막세포와

선천성·적응성 면역계에서 침윤한 세포 간의 복잡한 상호작용에 의해 일어난다(5, 30).

FLS와 STM은

모두 면역세포를 모집하고 활성화하는 매개체를 생산함으로써 활막 염증에 기여한다.

특히 이들 세포는

TNFα와 GM-CSF 같은 사이토카인을 paracrine 방식으로 생산하여

서로의 활성화와 생존을 촉진한다(30).

그러나

내층에 위치한 FLS가 공격적인 판누스(pannus)를 형성하고,

기질 금속단백분해효소(matrix metalloproteinases)와 카텝신(cathepsins) 같은 세포외기질 분해 효소를 생산하여

조직 손상의 주요 실행자 역할을 한다(30).

관절은

건강한 상태에서도 산소 분압이 8% 정도로 낮지만,

RA에서는 산소 분압이 1% 이하로 떨어지는 심한 저산소증이 특징이다(31).

영양소 가용성 또한 낮은데,

면역세포와 활성화된 활막세포가 공급 속도보다 빠르게 자원을 소비하기 때문이다.

FLS와 STM이 방출하는 인자에 의해 매개되는 활막 신생혈관 형성(angiogenesis)은

백혈구의 활막 조직 내 유입을 증가시키지만 여전히 불충분하며,

과증식된 활막 내층이 형성하는 공격적인 전선(aggressive front)은

혈관과 활막세포 사이의 거리를 증가시킨다(32, 33).

RA FLS는

휴지기 상태에서 공격적이고 침윤성 표현형으로 전환되며,

활성화된 STM이 공급하는 산소 라디칼, 일산화질소, 사이토카인 등의

세포사(apoptosis) 유도 인자가 증가함에도 불구하고 지속된다.

따라서

활막은 종양 조직과 유사하며, 세포들은 암에서와 마찬가지로

높은 생에너지 및 생합성 수요에 직면해 있을 가능성이 크다.

이러한 비교는 Figure 1에 요약되어 있다.

Figure 1. Similarities between the rheumatoid arthritis synovium and the solid tumor microenvironment.

Open in a new tab

In both tissues, fibroblasts and macrophages (MØ) reside in close proximity and within an oxygen and nutrient deprived, cytokine rich environment. Here they sustain mitochondrial damage and take on a chronically activated phenotype supported by increased glycolytic metabolism. In RA, the fibroblasts themselves are proliferative, invasive and migratory while in cancer fibroblasts support proliferation, invasion and metastasis of tumor cells. Adaptive immune cell-fibroblast interactions differ in tumor and RA microenvironments. Activated T (green) and B (blue) cells are present in the synovium in RA but are suppressed in the tumor microenvironment. Little is known about fibroblast or macrophage metabolism in early RA and the metabolic changes which take place during the transition from health to disease. (ROS, reactive oxygen species).

두 조직 모두에서 섬유아세포(fibroblasts)와 대식세포(macrophages, MØ)는

서로 밀접하게 위치하며,

산소와 영양소가 부족하고 사이토카인이 풍부한 환경에 놓여 있다.

이곳에서 이들은

미토콘드리아 손상을 입고,

증가된 당분해 대사(glycolytic metabolism)에 의해 지지되는

만성 활성화 표현형을 획득한다.

류마티스 관절염(RA)에서는

섬유아세포 자체가 증식성(proliferative), 침윤성(invasive), 이동성(migratory)인 반면,

암에서는 섬유아세포가 종양세포의 증식, 침윤, 전이를 지원한다.

적응 면역세포와 섬유아세포 간의 상호작용은

종양 미세환경과 RA 미세환경에서 차이를 보인다.

RA 활막에서는 활성화된 T세포(녹색)와 B세포(청색)가 존재하지만,

종양 미세환경에서는 이들이 억제된다.

초기 RA에서 섬유아세포나 대식세포의 대사,

그리고 건강한 상태에서 질병으로 전환되는 과정에서 일어나는 대사 변화에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

(ROS: reactive oxygen species, 활성산소종)

It is likely that adaptation of mitochondria and cytoplasmic metabolic pathways is needed to meet the requirements of chronic inflammation in RA. Indeed, of the few studies which profile the metabolome of FLS, profound metabolic differences were identified in end stage RA when compared with OA and many of these are described below (34, 35). Our unpublished data shows a correlation between systemic inflammation (measured as CRP) and the metabolic profile of FLS from very early RA. However, studies comparing to healthy FLS or assessing changes during the transformation in early disease are lacking. Consequently, we are currently unable to determine if metabolic adaptation of fibroblasts is a normal response to chronic inflammation, or if primary changes to cellular metabolism might themselves underlie or contribute to the disease pathogenesis. Studies of STM are also few and most of what is known about RA macrophage metabolism is from animal models or study of cells differentiated in vitro from SF or peripheral blood monocytes (36). Since macrophages in healthy synovium are thought to be largely yolk sac-derived and cues leading to monocyte differentiation in tissue are poorly defined, there is a pressing need for better characterization of synovial macrophage subsets and their metabolism (37).

만성 염증 상태인 RA에서 요구되는 에너지와 생합성 수요를 충족시키기 위해서는

미토콘드리아와 세포질 대사 경로의 적응이 필요할 것으로 보인다.

실제로 FLS의 대사체를 프로파일링한 소수의 연구에서

말기 RA와 골관절염(OA)을 비교했을 때

현저한 대사 차이가 확인되었으며,

이 중 많은 부분이 아래에 기술되어 있다(34, 35).

우리 연구팀의 미발표 데이터에 따르면,

전신 염증 정도(CRP로 측정)와 매우 초기 RA 환자의 FLS 대사 프로파일 사이에 상관관계가 있음을 보여준다.

그러나

건강한 FLS와 비교하거나, 초기 질병 과정에서 일어나는 변화를 평가한 연구는 부족하다.

따라서

우리는 현재 섬유아세포의 대사 적응이 만성 염증에 대한 정상적인 반응인지,

아니면 세포 대사의 일차적 변화가 질병 발병 기전에 직접 기여하거나 그 원인이 될 수 있는지 판단할 수 없는 상황이다.

활막 조직 대식세포(STM)에 대한 연구도 매우 적으며,

RA 대식세포 대사에 대해 알려진 대부분은

동물 모델이나 활액(SF) 또는 말초혈액 단핵구로부터 체외에서 분화시킨 세포를 이용한 연구 결과이다(36).

건강한 활막의 대식세포는

대부분 난황낭(yolk sac) 유래로 생각되며,

조직 내에서 단핵구가 분화하는 신호(cues)는 아직 명확히 규명되지 않았기 때문에,

활막 대식세포 서브셋과 그 대사를 보다 잘 규명해야 할 시급한 필요성이 있다(37).

The dynamic metabolic response in health

The function of the metabolic machinery within a cell is to provide the energy and biomolecules necessary to perform resting and activated functions, while managing the production of potentially damaging byproducts such as lactate and reactive oxygen species (ROS). Recent studies of immune cells have identified important roles for metabolism in supporting and even directing cell differentiation and fate. These studies have characterized the extent of metabolic plasticity required for cellular responses to stimulation (8). There are 6 main pathways which are involved in these functions (summarized in Figure 2). Of these, oxidative phosphorylation (comprising the tricarboxylic acid TCA cycle and the mitochondrial electron transport chain) and fatty acid oxidation are oxygen dependent and take place in the mitochondria, while utilizing substrates taken up from the cytoplasm. Glycolysis, the pentose phosphate pathway (PPP), amino acid metabolism and fatty acid synthesis are oxygen independent and largely take place in the cytoplasm. However, fatty acid and amino acid intermediates are also shared with mitochondrial processes and use of the PPP to maintain redox balance does require oxygen (8).

건강 상태에서의 동적 대사 반응 (The dynamic metabolic response in health)

세포 내 대사 기계의 기능은

휴지기와 활성화된 기능 수행에 필요한 에너지와 생체 분자를 공급하는 동시에,

젖산(lactate)이나 활성산소종(ROS)과 같은 잠재적으로 해로운 부산물의 생산을 관리하는 것이다.

최근 면역세포에 대한 연구들은

대사가 세포 분화와 운명을 지원하고 심지어 지시하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.

이러한 연구들은

자극에 대한 세포 반응에 필요한 대사 가소성(metabolic plasticity)의 정도를 규명하였다(8).

이 기능에 관여하는 6가지 주요 대사 경로가 있으며(Figure 2에 요약됨),

그중 산화적 인산화(oxidative phosphorylation,

TCA 회로와 미토콘드리아 전자전달계로 구성)와

지방산 산화(fatty acid oxidation)는 산소 의존적이며 미토콘드리아에서 일어나고,

세포질에서 흡수된 기질(substrates)을 이용한다.

반면 당분해(glycolysis), 오탄당 인산 경로(pentose phosphate pathway, PPP), 아미노산 대사(amino acid metabolism), 지방산 합성(fatty acid synthesis)은 산소 비의존적이며 주로 세포질에서 일어난다. 다만 지방산과 아미노산 중간체는 미토콘드리아 과정과 공유되기도 하며, 산화-환원 균형(redox balance)을 유지하기 위한 PPP의 이용은 산소를 필요로 한다(8).

Figure 2. Major pathways important in synoviocyte metabolism.

FLS and monocyte derived macrophages are heavily reliant upon glucose metabolism and regulate glucose transporter member 1 (Glut1) in response to inflammatory and stress stimuli. This fuels adenosine triphosphate (ATP) production in conditions of high energetic demand. Glucose is utilized in the pentose phosphate pathway to synthesize building blocks for nucleic acids, and to generate NADPH to control redox status and support lipid synthesis. Alternatively glucose is metabolized via glycolysis to pyruvate which is either transported into the mitochondria to contribute to tricarboxylic acid (TCA) cycle flux or is converted to lactate in the cytoplasm and removed from the cell via monocarboxylate transporter 4 (MCT4). TCA cycle flux contributes to ATP production via oxidative and substrate level phosphorylation. When matrix citrate levels rise, citrate is transported to the cytoplasm and yields acetyl-CoA, the starting material for synthesis of fatty acids, cholesterol and lipids. Some such lipids are exported from the cell as bioactive metabolites such as sphingosine 1 phosphate (S1P), free fatty acids (FFA), phospholipids and eicosanoids. Acetyl-CoA as well as succinate generated from the TCA cycle can be utilized in production chromatin modifying enzymes (CME) and cofactors. Choline is taken up via choline transporter-like (CTL) 1/2 is an important substrate in FLS biology. Choline can be converted to betaine which is used in production CME and cofactors or converted to glycine for use in protein synthesis. Alternatively, choline is phosphorylated to phosphocholine and utilized in membrane phospholipid and bioactive lipid synthesis. A number of signalling molecules have been identified which control the described metabolic pathways but have sparsely been explored in FLS.

이 도식은
류마티스 관절염(RA)에서 섬유아세포 유사 활막세포(FLS)와 단핵구 유래 대식세포가
어떻게 당분해 중심의 대사 재프로그래밍을 통해
높은 에너지와 생합성 수요를 충족시키는지 체계적으로 보여줍니다.

정상 세포와 달리 RA 활막세포는
Warburg-like aerobic glycolysis를 주로 이용하며,
미토콘드리아 TCA 회로와 세포질 대사 경로를 유기적으로 연결합니다.

1. 전체 구조와 주요 특징

• 상단: 세포 외 공간(Extracellular Space)에서 들어오는 주요 기질 — 포도당(Glucose), 젖산(Lactate), 아미노산(Amino Acids), 콜린(Choline)
• 하단: 생합성 산물(Biosynthetic products) — 핵산, 지방산/콜레스테롤, 단백질, 막 인지질 등
• 색상 범례:
  • 녹색: 수송체(Channels/Transporters)
  • 분홍색: 생합성 산물
  • 파란색: 대사 중간체 및 신호 분자

2. 핵심 대사 경로 상세 설명

① 포도당 대사 (Glucose Metabolism) – 가장 중심적인 경로

• GLUT1 (Glucose transporter 1)이 염증 및 스트레스 신호(mTOR, p53, PI3K/AKT, MYC, HIF-1α 등)에 의해 크게 증가
• 포도당 → G6P (Glucose-6-phosphate)
  • 오탄당 인산 경로(Pentose Phosphate Pathway, PPP): 핵산 합성에 필요한 R5P(Ribose-5-phosphate)와 NADPH 생산 → 산화 스트레스 방어 + 지질 합성 지원
  • 당분해(Glycolysis): Pyruvate 생성 →
    • 미토콘드리아로 들어가 Acetyl-CoA → TCA 회로
    • 또는 세포질에서 Lactate로 전환 (MCT4를 통해 세포 밖으로 배출) → 관절 내 산성 환경 조성 및 염증 증폭

② TCA 회로와 미토콘드리아 기능

• Pyruvate → Acetyl-CoA → Citrate → TCA cycle
• TCA 중간체가 증가하면:
  • Citrate가 세포질로 유출 → Acetyl-CoA → 지방산, 콜레스테롤, 지질 합성 (SREBP1, MYC, PPARγ 조절)
  • Succinate 축적 → HIF-1α 안정화 → 추가적인 glycolysis 유도 (염증-대사 악순환)
• ATP 생산: 산화적 인산화(OXPHOS)와 기질 수준 인산화(substrate-level phosphorylation)

③ 콜린 대사 (Choline Metabolism)

• CTL1/2를 통해 세포 내로 유입
• Choline → Phosphocholine → 막 인지질(membrane phospholipids) 합성
• Choline → Betaine → Glycine → 단백질 합성
• Choline 유래 지질: Bioactive lipids (S1P, eicosanoids, FFA 등) → 신호 전달 및 염증 조절

④ 아미노산 대사

• 아미노산이 세포 내로 들어와 단백질 합성과 다양한 cofactors 생산에 사용
• 특히 Glutamine(글루타민)은 그림에 명시되지는 않았으나, RA FLS에서 매우 중요한 기질로 알려져 있음 (glutaminolysis)

3. 본문 설명의 한글 번역 및 요약

FLS와 단핵구 유래 대식세포는
포도당 대사에 크게 의존하며,
염증성·스트레스 자극에 반응하여
포도당 수송체 GLUT1을 조절한다.

이는 높은 에너지 수요 상황에서 ATP 생산을 뒷받침한다.

포도당은
오탄당 인산 경로(PPP)를 통해 핵산 합성의 building block을 만들고,
NADPH를 생성하여 산화-환원 상태(redox status)를 조절하며 지질 합성을 지원한다.

다른 한편으로
포도당은 당분해를 통해 pyruvate로 대사되며,
이는 미토콘드리아로 들어가 TCA 회로를 활성화하거나,
세포질에서 lactate로 전환되어 monocarboxylate transporter 4(MCT4)를 통해 세포 밖으로 배출된다.

TCA 회로 flux가 증가하면
citrate가 세포질로 유출되어 acetyl-CoA를 생성하며,
이는 지방산·콜레스테롤·지질 합성의 출발 물질이 된다.

일부 지질은 세포 밖으로 분비되어
sphingosine-1-phosphate(S1P), 유리 지방산(FFA), 인지질, 에이코사노이드(eicosanoids) 등의 생물활성 지질로 작용한다.

Acetyl-CoA와 TCA 회로에서 생성된 succinate는
크로마틴 수정 효소(chromatin modifying enzymes, CME)와 보조인자(cofactors) 생산에 이용될 수 있다.

콜린은
choline transporter-like 1/2(CTL1/2)를 통해 세포 내로 들어오는 중요한 기질이다.

콜린은
betaine으로 전환되어 CME와 cofactors 생산에 사용되거나,
glycine으로 전환되어 단백질 합성에 쓰인다.

또한 phosphocholine으로 인산화되어
막 인지질 합성과 생물활성 지질 합성에 이용된다.

AKT, protein kinase B; AMPK, 5′ adenosine monophosphate-activated protein kinase; G6P, glucose-6-phosphate; HIF-1α, hypoxia-inducible factor 1α; Myc, Myc proto-oncogene protein; p53, cellular tumor antigen p53; PI3K, phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate 3-kinase; R5P, ribose-5-phosphate; S1P, sphingosine-1-phosphate; SREBP, sterol regulatory element-binding protein; mTOR, mechanistic target of rapamycin; PPARγ, peroxisome proliferator-activated receptor gamma; NF-κB, nuclear factor κB pathway; uPFK, 2phosphofructokinase 2.

Normal physiological metabolism and metabolic responses to inflammatory events are poorly studied in tissue resident populations such as fibroblasts and embryonically seeded macrophages(25). This is largely due to the practicalities of disentwining cells from the extracellular matrix, a challenge which researchers are making great efforts to address (38). Indeed there has been limited progress since the stromal metabolism field was thoroughly reviewed in 2014 (39). One study defines what is known about resting, healthy fibroblast metabolism, showing that fore-skin derived cells are predominantly glycolytic and dependent upon the PPP even in quiescence (40). This supports the anabolic processes associated with extracellular matrix production and is likely to also apply to FLS which maintain SF and produce it in excess in RA.

Reversible regulation in the balance of cytoplasmic and mitochondrial metabolism is crucial for all cells to respond and adapt to changing microenvironments. Metabolic change is orchestrated by signaling pathways responding to nutrient, energy and oxygen levels as well as growth factor, pattern recognition, and cytokine receptors. The pathways involved have been reviewed elsewhere (41, 42) and are summarized in figure 2. These include the master regulators mechanistic target of rapamycin (mTOR) and 5′ adenosine monophosphate activated protein kinase (AMPK) pathways which work in opposition to one another. The mTOR network is a nutrient sensing system. mTORC1 or mTORC2 complex formation downstream of PI3K or MAPK pathways induces activation of AKT and transcription factors HIF1α and MYC, which in turn activate glycolytic pathway genes upregulating aerobic glycolysis. Sterol regulatory element binding proteins (SREBP) and peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ) acting downstream of mTORC1 also activate genes which upregulate fatty acid synthesis. Other pathways have also been shown to activate glycolysis in a HIF1α independent manner, including the NF-κB pathway involving ubiquitous phosphofructokinase 2 (uPFK2). AMPK is an energy sensing system often considered a metabolic checkpoint as it can inhibit glycolysis, control cell proliferation and promote mitochondrial biogenesis when activated under energetic stress (43, 44). Downstream nuclear respiratory factor-1 (NRF-1), NRF-2 and PPARγ coactivator-1α (PGC-1α), as well as SIRT1 or STAT6 activated PGC-1β, induce mitochondrial biogenesis and fusion (discussed below), induce protective antioxidant enzymes, and promote oxidative metabolism. The mTOR pathway has also been shown to be important in polarization of macrophages to pro-inflammatory (M1) or pro-resolving (M2) phenotypes and in activation of both macrophage subtypes, and this has been thoroughly reviewed (45). AMPK activation in macrophages is associated with suppression of IL-6 production, anti-inflammatory M2 macrophage differentiation from SF monocytes and suppressed inflammation in K/BxN serum induced arthritis (46, 47). The signaling pathways which instruct stromal cell behavior are less well defined. mTOR activation has been linked to invasive properties in arthritic rat FLS (48). Furthermore, mice deficient in NRF2 which acts downstream of AMPK, show more severe cartilage injuries and more oxidative damage in a murine model of arthritis (49). However, no link between metabolism and cell signaling has yet been made in human FLS or STM and it is unknown whether signaling pathways controlling metabolic phenotype are dysregulated in RA.

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정상적인 생리적 대사와 염증 사건에 대한 대사 반응은

섬유아세포나 배아기부터 씨앗이 된 대식세포(embryonically seeded macrophages)와 같은

조직 상주 세포 집단에서는 거의 연구되지 않았다(25).

이는 주로 세포를 세포외기질(extracellular matrix)로부터 분리하는 실질적인 어려움 때문이며,

연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다(38).

실제로 기질 대사(stromal metabolism) 분야가

2014년에 철저히 검토된 이후(39) 진전이 매우 제한적이었다.

한 연구에서는

휴지기 상태의 건강한 섬유아세포 대사를 정의하였는데,

포피 유래 섬유아세포는 휴지기 상태에서도 주로 당분해에 의존하며

오탄당 인산 경로(PPP)에 크게 의존한다는 사실을 보여주었다(40).

이는 세포외기질 생산과 관련된 동화(anabolic) 과정을 뒷받침하며,

활막액(SF)을 유지하고 RA에서는 과잉 생산하는 FLS에도 유사하게 적용될 가능성이 높다.

세포질 대사와 미토콘드리아 대사의 균형에 대한 가역적 조절은

모든 세포가 변화하는 미세환경에 반응하고 적응하는 데 필수적이다.

대사 변화는

영양소, 에너지, 산소 수준뿐만 아니라

성장인자, 패턴 인식 수용체, 사이토카인 수용체에 반응하는 신호 경로에 의해 조절된다.

관련된 신호 경로는 다른 문헌에서 이미 검토되었으며(41, 42),

Figure 2에 요약되어 있다.

이 중 핵심 조절 인자로는

mechanistic target of rapamycin (mTOR)과

5′ adenosine monophosphate activated protein kinase (AMPK) 경로가 있으며,

이 둘은 서로 반대 방향으로 작용한다.

mTOR 네트워크는

영양소 감지 시스템으로,

PI3K 또는 MAPK 경로 하류에서 mTORC1 또는 mTORC2 복합체가 형성되면 AKT가 활성화되고,

전사인자 HIF-1α와 MYC가 활성화되어 당분해 경로 유전자를 발현시켜

호기성 당분해(aerobic glycolysis)를 증가시킨다.

mTORC1 하류에서 작용하는

sterol regulatory element binding proteins (SREBP)와

peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ)는

지방산 합성을 증가시키는 유전자를 활성화한다.

HIF-1α와 무관하게 당분해를 활성화하는 다른 경로도 존재하는데,

그중 ubiquitous phosphofructokinase 2 (uPFK2)를 포함하는 NF-κB 경로가 대표적이다.

AMPK는

에너지 감지 시스템으로,

에너지 스트레스 상황에서 활성화되면 당분해를 억제하고

세포 증식을 조절하며 미토콘드리아 생합성을 촉진하는 대사 체크포인트(metabolic checkpoint)로 여겨진다(43, 44).

하류의 nuclear respiratory factor-1 (NRF-1),

NRF-2, PPARγ coactivator-1α (PGC-1α),

그리고 SIRT1 또는 STAT6에 의해 활성화된 PGC-1β는 미토콘드리아 생합성과 융합(fusion)을 유도하고,

보호적인 항산화 효소를 발현시키며 산화 대사를 촉진한다.

mTOR 경로는

대식세포의 전염증성(M1) 또는 해소성(M2) 표현형 극성화(polarization)와 두 표현형의 활성화 모두에 중요하며,

이에 대한 철저한 검토가 이루어져 있다(45).

대식세포에서 AMPK 활성화는

IL-6 생산 억제, 활액 단핵구로부터 항염증성 M2 대식세포 분화 유도,

그리고 K/BxN 혈청 유도 관절염 모델에서 염증 억제와 연관되어 있다(46, 47).

기질세포(stromal cell)의 행동을 지시하는 신호 경로는 상대적으로 잘 알려져 있지 않다.

mTOR 활성화는

관절염 모델 쥐의 FLS에서 침윤성 특성과 연관되어 있으며(48),

AMPK 하류에서 작용하는 NRF2가 결핍된 마우스는 관절염 모델에서 더 심한 연골 손상과 산화 손상을 보였다(49).

그러나

인간 FLS나 STM에서 대사와 세포 신호 사이의 직접적인 연관성은 아직 밝혀지지 않았으며,

대사 표현형을 조절하는 신호 경로가 RA에서 조절 이상(dysregulated)을 보이는지도 알려지지 않았다.

Mitochondrial responses in the RA synovium

Under normoxic conditions mitochondrial oxidative phosphorylation is the most efficient source of ATP (50). In addition, mitochondria integrate various metabolic pathways and through this process produce intermediates needed for the synthesis of lipids, steroid hormones, and heme. Other more specialized mitochondrial functions include maintenance of Ca2+ homeostasis, regulation of apoptosis, and production of the physiological levels of ROS which act as signaling molecules (50). Importantly, mitochondria have mechanisms to respond spatially and temporally to heterogeneous nutrient and oxygen concentrations, increased ATP demands and increased stress signals including oxidative stress, for continued support of cellular functions and survival. These mechanisms include the overexpression‎ of antioxidant enzymes and remodeling of respiratory complex subunits, changes in substrate choice (utilizing glutamine, pyruvate, fatty acids and ketone bodies) or switching toward increased glycolysis when energetic demand outpaces oxygen delivery (50).

Changes in mitochondrial biogenesis, mitochondrial-selective autophagy (mitophagy) and in the equilibrium between mitochondrial fusion and fission are also critical to maintain normal mitochondrial and cellular function (Table 1 and Figure 3). Mitochondrial biogenesis is induced through the signaling pathways described above, not only in association with cell division but also in response to oxidative stimuli and increased energy requirements. The flux between fusion and fission of mitochondria in response to stress is also crucial to maintaining the metabolic capacity of the mitochondria as well as protecting genetic stability. Mitophagy plays a pivotal role in the maintenance of mitochondrial homeostasis, regulating the size and quality of the mitochondrial population. In addition, mitophagy eliminates damaged mitochondria under diverse stress conditions, which is critical as mitochondrial DNA (mtDNA) is a damage-associated molecular pattern (DAMP) that contributes to systemic inflammatory responses (51). Excess or inadequacy in mitochondrial dynamics, biogenesis and mitophagy are deleterious in mice and are associated with aging and multiple serious human diseases, highlighting their importance in cell phenotype and function (51, 52). Furthermore, mitochondrial surveillance and quality control mechanisms including mitochondrial biogenesis and mitophagy decline with age causing progressive deterioration of mitochondrial function. This may have a role in diseases such as RA and suggests that targeting mitochondrial processes could be beneficial to restore cell function (53).

RA 활막에서의 미토콘드리아 반응 (Mitochondrial responses in the RA synovium)

정상 산소 조건(normoxia)에서

미토콘드리아 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)는

가장 효율적인 ATP 공급원이다(50).

또한 미토콘드리아는

다양한 대사 경로를 통합하여 지질, 스테로이드 호르몬, 헴(heme) 합성에 필요한 중간체를 생산한다.

그 외 특화된 미토콘드리아 기능으로는

Ca²⁺ 항상성 유지, 세포사(apoptosis) 조절, 그리고 신호 분자로 작용하는 생리적 수준의 ROS 생산이 있다(50).

중요한 점은

미토콘드리아가

불균일한 영양소와 산소 농도, 증가된 ATP 수요, 산화 스트레스 등

다양한 스트레스 신호에 대해 공간적·시간적으로 반응하여

세포 기능과 생존을 지속적으로 지원하는 기전을 가지고 있다는 것이다.

이러한 기전에는

항산화 효소의 과발현, 호흡 복합체 subunit의 재구성, 기질 선택 변화(glutamine, pyruvate, 지방산, 케톤체 이용),

또는 에너지 수요가 산소 공급을 초과할 때 당분해로의 전환이 포함된다(50).

미토콘드리아 생합성(biogenesis),

미토콘드리아 선택적 자가포식(mitophagy),

미토콘드리아 융합(fusion)과 분열(fission)의 균형 변화 또한

정상적인 미토콘드리아 및 세포 기능을 유지하는 데 매우 중요하다(Table 1 및 Figure 3 참조).

미토콘드리아 생합성은

앞서 언급한 신호 경로를 통해 유도되며,

세포 분열과 연관될 뿐만 아니라 산화 자극과 증가된 에너지 요구에 대해서도 일어난다.

스트레스에 대한 미토콘드리아 융합과 분열의 동적 변화(flux)는

미토콘드리아의 대사 능력을 유지하고 유전적 안정성을 보호하는 데 필수적이다.

Mitophagy는

미토콘드리아 항상성을 유지하는 핵심 과정으로,

미토콘드리아 집단의 크기와 질을 조절한다.

또한 다양한 스트레스 조건에서 손상된 미토콘드리아를 제거하는데,

이는 미토콘드리아 DNA(mtDNA)가 손상 관련 분자 패턴(damage-associated molecular pattern, DAMP)으로 작용하여

전신 염증 반응을 유발할 수 있기 때문에 매우 중요하다(51).

미토콘드리아 동역학, 생합성, mitophagy의 과잉 또는 부족은 마우스에서 해로운 결과를 초래하며,

노화와 여러 중증 인간 질환과 연관되어 있어 세포 표현형과 기능 유지에 있어서

이들의 중요성을 강조한다(51, 52).

또한 미토콘드리아 감시와 품질 관리 기전(생합성과 mitophagy)은

나이가 들면서 감소하여 미토콘드리아 기능의 점진적 악화를 초래한다.

이는 RA와 같은 질환에서 중요한 역할을 할 수 있으며,

미토콘드리아 과정을 표적화하면 세포 기능을 회복하는 데 도움이 될 수 있음을 시사한다(53).

Table 1.

Term                                         Definition in the context of this review

Aerobic glycolysis	The metabolic pathway which utilizes glucose to generate ATP in the presence of oxygen. End products of this process are pyruvate which can be imported into mitochondria for use in the TCA cycle or lactate which is expelled from the cell as waste.
Anabolism	The enzymatic synthesis of molecules from smaller components.
Anaplerosis	The replenishment of metabolic intermediates into the TCA cycle as substrates for biosynthesis and the generation of ATP.
Bioenergetics	The study of energy production by cells. Often associated with use of the Seahorse analyzer to assess glycolysis and oxidative phosphorylation rates in real time.
Catabolism	The enzymatic degradation of molecules into smaller products.
Cataplerosis	The removal of TCA cycle intermediates for use in biosynthesis or to prevent build up within mitochondria.
Electron transport chain	A set of complexes of the inner mitochondrial membrane that shuttle electrons from NADH and FADH2 to oxygen. The redox reactions of the chain produce an electrochemical gradient of protons across the membrane which drives synthesis of ATP by oxidative phosphorylation.
Hypoxia	Oxygen deficiency in tissues, such that oxygen tension is below that of healthy physiological conditions. Normal oxygen levels differ between tissues and therefore the level at which a tissue is considered to be hypoxic is variable. The RA joint has an oxygen tension of 8% in health and <3% in RA.
Imaging mass spectrometry	A mass spectrometry based technique which allows the spatial distribution of the metabolome to be visualized in a tissue section. This offers insights into where pathogenic metabolic changes are taking place in tissues and is yet to be applied to the synovium.
Immunometabolism	The research field which investigates metabolism in the context of immunity and inflammation. As stromal cells are crucial to both induction and resolution of these processes, we consider the study of their metabolic processes to be embedded in this field.
Metabolic coupling	The transfer of metabolites between cells in a manner which benefits the biosynthetic and bioenergetic requirements of the recipient cell.
Metabolic flux analysis	Also known as ‘stable isotope metabolic tracer analysis’, this is a 13C isotope tracing methodology involving incubation of cells with a stable isotope, quantitation of metabolite labeling using mass spectrometry or NMR spectroscopy, and computational fitting of the data to a model allowing estimates of pathway-specific flux.
Metabolic memory	Imprinting of a metabolic phenotype on a cell by cues within its microenvironment, such that the phenotype is maintained after the cues are removed or the cells is removed from the tissue.
Metabolome	All substrates, intermediates and products of metabolism associated with a given system or compartment. These may be intracellular or extracellular.
Metabolomics	Used synonymously with the term ‘metabolic profiling’, this is the identification and measurement of all or a targeted set of metabolites within a body fluid, cell population or tissue conducted by NMR spectroscopy or mass spectrometry.
Mitochondrial biogenesis	The generation of greater mitochondrial mass to increase the capacity for mitochondrial function and ATP production within a cell; this process is important to health but is uninvestigated in RA.
Mitochondrial dynamics	The balance and transition between mitochondrial fusion and fission, movement and degradation; processes which are important to health but in uninvestigated in RA.
Mitochondrial fission	The division of mitochondrial networks into individual, punctate organelles, principally controlled by outer membrane proteins DRP1 and FIS1.
Mitochondrial fusion	The formation of tubular mitochondrial networks through MFN1, MFN2 and OPA1 mediated joining of individual organelle membranes. This process is associated with increased ATP production and protection of mitochondrial DNA from reactive oxygen species.
Mitophagy	‘Mitochondrial-selective autophagy’. The selective degradation of defective mitochondria without the release of inflammatory mitochondria- associated DAMPS.
Oxidative phosphorylation	Generation of ATP by the mitochondrial ATP synthase and driven by the electrochemical gradient of protons generated by the electron transport chain.
Pentose phosphate pathway	The pathway which oxidizes glucose to generate NADPH for the maintenance of the cellular redox balance and 5 carbon sugars utilized in anabolic processes such as nucleic acid synthesis.
Positron emission tomography	Use of a radioactive tracer isotope incorporated into a metabolic substrate to visualize metabolizing cells in a whole organism. Commonly, labelled glucose is used to identify tumors but is also useful in highlighting sites of inflammation such as the RA joint.
Reverse Warburg effect –	The production of high energy metabolic intermediates by one cell to anaplerotically feed ATP production by a neighboring cell. Currently characterized only in epithelial tumors where cancer-associated fibroblast feed lactate and other metabolites to tumor cells through channels such as the monocarboxylate transporters.
TCA cycle	The tricarboxylic acid cycle is a series of chemical reactions which take place in the mitochondrial matrix generating ATP by substrate level phosphorylation and NADH and FADH2 by oxidation of fuel molecules. The NADH and FADH2 are further oxidized by the electron transport chain.
Warburg effect	Pathological increase in glycolysis associated with reduced oxidative phosphorylation despite the presence of oxygen. This describes a cellular bioenergetic phenotype classically associated with tumor cells but now also associated with activated immune cells.

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Figure 3. Mitochondrial dynamics; the cycle of fusion and fission.

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Mitochondrial morphology changes dynamically in response to stress and changing energetic demand. This is under the control of signalling molecules including sirtuin 1 (SIRT1), signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6), nuclear respiratory factors 1 and 2 (NRF1/2) and peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivators 1α and β (PGC-1α/β). Mitochondria fuse to make tubular networks under the control of mitofusins (MFN) 1 and 2 and optic atrophy (OPA1), a mechanism which is thought to increase ATP production by oxidative phosphorylation, protect mitochondrial DNA from damage in the presence of elevated reactive oxygen species (ROS) and leads to mitochondrial biogenesis and increased mitochondrial mass. Mitochondrial fission occurs under the control of dynamin related protein 1 (DRP1) and mitochondrial fission 1 (FIS1) and produces increased numbers of punctate mitochondria. Fission usually corresponds with reduced oxidative phosphorylation and increased aerobic glycolysis and can predispose to mitochondrial-selective autophagy (mitophagy) to regulate mitochondrial mass or remove damaged organelles. The box shows a number of mitochondrial observations made in FLS cultured from RA patients both in a resting state and after stimulation with proinflammatory cytokines, alluding to possible but as yet uninvestigated changes in mitochondrial dynamics.

미토콘드리아 형태는 스트레스와 변화하는 에너지 수요에 따라 동적으로 변한다. 이는 sirtuin 1 (SIRT1), signal transducer and activator of transcription 6 (STAT6), nuclear respiratory factors 1 and 2 (NRF1/2), peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivators 1α and β (PGC-1α/β) 등의 신호 분자에 의해 조절된다.

미토콘드리아는 mitofusins (MFN) 1과 2, optic atrophy 1 (OPA1)의 조절 하에 융합(fusion)되어 관형 네트워크(tubular networks)를 형성한다. 이는 산화적 인산화에 의한 ATP 생산을 증가시키고, 상승된 활성산소종(ROS) 환경에서 미토콘드리아 DNA를 손상으로부터 보호하며, 미토콘드리아 생합성과 미토콘드리아 질량 증가를 유도하는 것으로 알려져 있다.

미토콘드리아 분열(fission)은 dynamin-related protein 1 (DRP1)과 mitochondrial fission 1 (FIS1)의 조절 하에 일어나며, 점상(punctate) 미토콘드리아의 수를 증가시킨다. 분열은 보통 산화적 인산화 감소와 호기성 당분해 증가를 동반하며, 미토콘드리아 질량 조절이나 손상된 소기관 제거를 위한 미토콘드리아 선택적 자가포식(mitophagy)을 유발할 수 있다.

상자 안에는 RA 환자에서 분리한 FLS를 휴지기 상태와 전염증성 사이토카인 자극 후에 관찰한 여러 미토콘드리아 관련 소견이 정리되어 있으며, 이는 미토콘드리아 동역학 변화의 가능성을 시사하지만 아직 체계적으로 연구되지 않은 부분이다.

Surprisingly little is known about mitochondrial dynamics and function in RA synoviocytes and there is a particular absence of observations in STM. However, a growing literature describes mitochondrial metabolism downstream of glycolytic glucose consumption and its role in differentiation and activation of pro-inflammatory and pro-resolving monocyte-derived macrophages subtypes. These model systems might inform research in the synovium. For example, stimulation of macrophages with lipopolysaccharide (LPS) and interferon gamma (IFNγ) (so-called M1-polarising conditions) produces proinflammatory cells which may resemble those which populate the RA synovium. This leads to inhibition of the TCA cycle and the mitochondrial oxidative phosphorylation pathway to which it is coupled and results in upregulation of glucose transporter 1 (Glut1) to facilitate efficient uptake of glucose. Glucose is consumed through upregulation of aerobic glycolysis and gives rise to production of copious lactate which must be extruded from the cell to prevent lactic acidosis (54). Production of reactive oxygen is increased, partly as a consequence of reversed electron transport by mitochondria and certain intermediates of the TCA cycle accumulate, notably succinate. This promotes expression‎ of the pro-inflammatory cytokine IL-1β by inhibiting prolyl hydroxylases and activating the transcription factor HIF-1a. Succinate has also been linked to changes in methylation of DNA and associated histone proteins to alter gene expression‎ (55). Furthermore, isocitrate is diverted from the Krebs cycle and metabolised to itaconic acid, another more recently identified TCA cycle inhibitor (56). RA synovial macrophages express HIF-1a, consistent with a switch to glycolytic metabolism but efforts are required to characterize mitochondrial metabolism and dynamics in resident and infiltrating STM (57).

Several studies have observed mitochondria in late stage RA FLS. Baseline reductions in respiration and membrane potential (58) and changes to mitochondrial morphology (59) have been shown when compared with OA. Further changes suggestive of mitochondrial dysfunction such as perinuclear clustering of mitochondria, abnormally dark cristae, and autophagosome formation have been associated with lower basal mitochondrial membrane potential, as well as lower basal, maximum and ATP-linked mitochondrial respiratory rates (58). In a complementary study also in comparison with OA, we recently showed RA FLS had a higher baseline glycolytic rate to respiratory rate ratio, implying a shift toward reliance on glycolysis to meet the energy demand of the cells (60). Changes in mitochondrial metabolism can be induced in FLS by cytokines and growth factors including IL-17, TNF and PDGF which are associated with RA and related inflammatory conditions (58, 61). The reported consequences, though incompletely understood, include reduced ATP production by oxidative phosphorylation, production of excessive reactive oxygen and nitrogen species, dysregulation of Ca2+, opening of the permeability transition pore and initiation of cell death in vitro. Significant increases in mtDNA mutation frequency have been demonstrated in inflamed synovial tissue and were positively correlated with macroscopic synovitis, vascularity and SF levels of TNF and IFNγ (62). A further study showed that exposure of RA synovial tissue to 1% oxygen in vivo induced mtDNA mutations suggesting that the inflamed and hypoxic joint microenvironment may be eliciting the mitochondrial changes observed in RA FLS and likely to be occurring in STM (31). Hypoxia also altered the bioenergetics of cultured FLS by promoting a switch to glycolysis while attenuating mitochondrial respiration and ATP synthesis. This supported abnormal angiogenesis, cellular invasion and pannus formation (59). Further in vitro studies have indicated higher mtDNA mutations and ROS levels in RA compared to OA FLS (63), correlating with elevated matrix metalloproteinase (MMP) expression‎ and an invasive phenotype in RA (61, 64).

The above findings suggest that there are mitochondrial changes in late stage RA FLS which are maintained in in vitro culture, yet we lack understanding of which changes are a normal response to meet metabolic demands of inflammation, which might play a role in driving the pathology of chronic disease and which are the result of damage and an increasingly hypoxic environment. In fact, resistance to induction of programmed cell death (apoptosis) by apoptotic signals abundant in the inflamed joint, is a prominent characteristic of the RA synovium (65) and sustains the synovial hyperplasia that characterizes the rheumatoid pannus. This would suggest that mitochondrial responses induced by hypoxia and inflammation in synoviocytes are able to repurpose the mitochondrion as a biosynthetic hub similar to that of tumor cells (66) and with conserved mechanisms for limiting oxidative stress and supporting effector functions and proliferation (5). Finally, although we lack information regarding mitophagy in the synovium, it has been suggested that TNF significantly induces mitophagy and mitochondrial antigen presentation in mouse macrophages with implications for RA (67). Several reports have shown altered autophagy in RA FLS, which could also contribute to synovial hyperplasia. RA FLS show an increase of genes involved in autophagy such as beclin-1 and LC3, which inversely correlate with their apoptosis rate (68, 69). In addition, RA FLS under endoplasmic reticulum stress may increase autophagy while becoming resistant to apoptotic death (70). Further studies are needed to understand the tangled relationship between metabolism, apoptosis and autophagy in synoviocytes and to identify whether restoring normal metabolism and mitochondrial function might have therapeutic potential in RA.

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놀랍게도

RA 활막세포에서 미토콘드리아 동역학과 기능에 대해서는 알려진 바가 매우 적으며,

특히 STM에 대한 관찰은 거의 없다.

그러나

당분해를 통한 포도당 소비 하류의 미토콘드리아 대사와,

전염증성·해소성 단핵구 유래 대식세포 아형의 분화 및 활성화에서의 역할에 대한 연구는

점차 늘어나고 있다.

이러한 모델 시스템은 활막 연구에 시사점을 줄 수 있다.

예를 들어,

대식세포를 lipopolysaccharide (LPS)와 interferon gamma (IFNγ)로 자극하면

(소위 M1 극성화 조건) 전염증성 세포가 생성되는데,

이는 RA 활막을 채우는 세포와 유사할 수 있다.

이 과정에서

TCA 회로와 이에 결합된 미토콘드리아 산화적 인산화 경로가 억제되고,

포도당 수송체 GLUT1이 상향조절되어 효율적인 포도당 흡수가 촉진된다.

포도당은

호기성 당분해가 증가하면서 소비되어 다량의 젖산을 생산하며,

이는 젖산 산증을 방지하기 위해 세포 밖으로 배출되어야 한다(54).

활성산소 생산도 증가하는데,

이는 부분적으로 미토콘드리아의 역전자 전달(reversed electron transport) 때문이며,

TCA 회로의 특정 중간체(특히 succinate)가 축적된다.

Succinate는

prolyl hydroxylase를 억제하고 전사인자 HIF-1α를 활성화시켜 전염증성 사이토카인 IL-1β의 발현을 촉진한다.

Succinate는 또한 DNA와 관련 히스톤 단백질의 메틸화를 변화시켜 유전자 발현을 조절하는 것으로 알려져 있다(55).

또한 isocitrate는 Krebs 회로에서 분리되어 itaconic acid로 대사되는데, 이는 최근 밝혀진 또 다른 TCA 회로 억제제이다(56).

RA 활막 대식세포는 HIF-1α를 발현하며, 이는 당분해 대사로의 전환과 일치하지만, 상주 및 침윤 STM에서의 미토콘드리아 대사와 동역학을 규명하기 위한 연구가 필요하다(57).

말기 RA FLS에서 미토콘드리아를 관찰한 여러 연구가 있다. OA와 비교했을 때 기저 호흡량과 막전위가 감소하고(58), 미토콘드리아 형태 변화가 관찰되었다(59). 미토콘드리아 기능 장애를 시사하는 추가 변화(미토콘드리아의 핵주변 군집화, 비정상적으로 어두운 cristae, autophagosome 형성 등)는 낮은 기저 미토콘드리아 막전위, 낮은 기저·최대·ATP 연계 미토콘드리아 호흡 속도와 연관되어 있었다(58).

OA와 비교한 또 다른 연구에서 우리는 최근 RA FLS가 기저 상태에서 당분해 속도 대 호흡 속도 비율이 더 높다는 것을 확인하였다. 이는 세포의 에너지 수요를 충족시키기 위해 당분해에 더 의존하게 되었음을 시사한다(60).

미토콘드리아 대사 변화는 RA 및 관련 염증 상태와 연관된 사이토카인과 성장인자(IL-17, TNF, PDGF 등)에 의해 FLS에서 유도될 수 있다(58, 61). 보고된 결과(아직 완전히 이해되지는 않았지만)로는 산화적 인산화에 의한 ATP 생산 감소, 과도한 활성산소 및 질소종 생산, Ca²⁺ 조절 이상, 투과성 전이 공극(permeability transition pore) 개방, 그리고 체외에서의 세포사 유발 등이 있다.

염증이 있는 활막 조직에서 mtDNA 돌연변이 빈도가 현저히 증가하며, 이는 육안적 활막염, 혈관 신생 정도, 활액 내 TNF와 IFNγ 농도와 양의 상관관계를 보였다(62). 또 다른 연구에서는 RA 활막 조직을 생체 내 1% 산소에 노출시키자 mtDNA 돌연변이가 유발되었는데, 이는 염증과 저산소 관절 미세환경이 RA FLS에서 관찰되는 미토콘드리아 변화를 일으키고, STM에서도 유사하게 발생할 가능성이 있음을 시사한다(31).

저산소는 또한 배양된 FLS의 생에너지 대사를 변화시켜 당분해로의 전환을 촉진하고 미토콘드리아 호흡과 ATP 합성을 약화시켰다. 이는 비정상적인 혈관 신생, 세포 침윤, 판누스 형성을 촉진하는 것으로 나타났다(59).

추가적인 체외 연구에서는 RA FLS에서 OA FLS에 비해 mtDNA 돌연변이와 ROS 수준이 더 높았으며(63), 이는 상승된 기질 금속단백분해효소(MMP) 발현 및 RA에서의 침윤성 표현형과 상관관계가 있었다(61, 64).

위 소견들은 말기 RA FLS에서 미토콘드리아 변화가 체외 배양 조건에서도 유지된다는 점을 시사하지만, 이러한 변화 중 어느 것이 염증의 대사 수요를 충족시키기 위한 정상적인 반응인지, 만성 질환의 병태생리를 주도하는 역할인지, 아니면 손상과 점점 심해지는 저산소 환경의 결과인지는 아직 명확하지 않다.

실제로, 염증 관절에 풍부한 세포사(apoptosis) 신호에도 불구하고 프로그램된 세포사 유도가 저항성을 보이는 것은 RA 활막의 두드러진 특징이며(65), 이는 류마티스 판누스의 특징인 활막 과증식을 지속시킨다. 이는 저산소와 염증에 의해 유도된 활막세포의 미토콘드리아 반응이 종양세포와 유사하게 미토콘드리아를 생합성 허브(biosynthetic hub)로 재활용하고, 산화 스트레스를 제한하며 effector 기능과 증식을 지원하는 보존된 기전을 활용한다는 것을 시사한다(66, 5).

마지막으로, 활막에서의 mitophagy에 대한 정보는 부족하지만, TNF가 마우스 대식세포에서 mitophagy와 미토콘드리아 항원 제시를 현저히 유도한다는 보고가 있으며, 이는 RA에 대한 함의를 가진다(67). 여러 연구에서 RA FLS의 자가포식(autophagy) 변화가 관찰되었는데, 이는 활막 과증식에 기여할 수 있다. RA FLS는 beclin-1, LC3 등 자가포식 관련 유전자가 증가하며, 이는 세포사율과 역상관관계를 보인다(68, 69). 또한 소포체 스트레스를 받은 RA FLS는 자가포식을 증가시키면서 동시에 세포사에 대한 저항성을 획득할 수 있다(70).

활막세포에서 대사, 세포사, 자가포식 사이의 복잡한 관계를 이해하고, 정상 대사와 미토콘드리아 기능을 회복하는 것이 RA 치료에 잠재력이 있는지를 밝히기 위한 추가 연구가 필요하다

Glucose metabolism in the RA synovium

Glucose and other metabolites such as glutamine, fatty acids, and ketone bodies can be metabolized through the mitochondrial tricarboxylic acid (TCA) cycle in metabolically active tissues, but a shift away from oxidative phosphorylation towards aerobic glycolysis often occurs in response to cellular activation and in inflamed tissues (71). This supports various biosynthetic pathways and, consequently, the metabolic requirements for proliferation and cytokine production. Accelerated glucose metabolism is a hallmark of proliferative and activated cells (72) and can be observed with clinical imaging. Several studies have used fluoro-2-deoxyglucose (FDG) which is taken up by glycolytic cells to form FDG-phosphate, and can be shown by positron emission tomography (PET) to accumulate in swollen joints (73). Indeed, glycolytic inhibition by BrPa administered in a serum transfer animal model significantly decreased arthritis severity, highlighting the importance of glucose metabolism in fueling pathological processes and making it a promising target for therapeutic intervention in RA (60). However, as discussed in a recent review by Weyand et al comparing macrophages and T cells, cells can coexist in the same microenvironment and utilize metabolites differently(74). This highlights the need to dissect glucose utilization in different synoviocytes since any successful treatment will necessarily be cell type specific.

Metabolic profiling of synovial tissue has revealed that FLS consistently show altered basal glucose metabolism in RA (34, 35, 75), and we and others have found that stimuli such as PDGF or TNF increase in vitro glucose metabolism by both glycolysis and mitochondrial respiration (60). Furthermore, the glucose channel Glut1 is upregulated in response to hypoxia and cytokines and correlates with phenotypic perturbations in RA FLS (59, 60). Glucose deprivation or glycolytic inhibitors such as 2-deoxy-D-glucose (2-DG), bromopyruvate (BrPa) (60) and 3-(3-Pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one (59) have been shown to impair cytokine secretion, proliferation, migration and invasion in RA FLS. Although, glucose metabolism is enhanced in activated macrophages, no data in STM is available yet.

Diversion of glucose metabolism away from glycolysis and toward the PPP is important to support biosynthetic role of some cells. A role for this pathway in RA was highlighted by work on T cells which showed impaired glycolytic flux due to elevated pentose-shunt activity and up-regulation of phosphofructokinase (76). In light of RA synoviocyte mitochondrial responses and elevated ROS production described above, increased flux of glucose through the PPP might also be expected in these cells to produce cytoplasmic NADPH, and drive the reducing power of ROS detoxifying enzyme systems in both the cytoplasm and the mitochondrial compartments. Indeed, a global increase of glucose metabolism (both the PPP and glycolysis) was observed in total synoviocytes (4), and recent metabolite profiling of FLS (77) showed both metabolites from glycolysis and PPP were significantly increased in RA and compared to OA, together with other metabolites that belonged to the amine, fatty acid, phosphate, and organic acid classes. Although this hints toward the importance of the PPP, its role and the importance of NADPH production and other antioxidant mechanisms such as the glutathione oxidation pathway have not yet been dissected in FLS and resident STM populations and such research might yield new opportunities for therapeutic intervention in RA.

Secondary roles have emerged for glucose metabolites, metabolic enzymes and TCA cycle intermediates outside of metabolism. For instance, succinate stabilizes the transcription factor HIF-1α in activated macrophages and also rat synovial fibroblasts promoting glycolysis (55, 78). Succinate and other metabolites including α-ketoglutarate, fumarate and acetyl-CoA might be expected to accumulate in macrophages and FLS under hypoxic conditions and are involved in eliciting important epigenetic changes, with unexplored potential for driving chronic inflammation (55, 78). Also, essential glycolytic enzymes have been reported to translocate to the nucleus or mitochondria where they function independently of their canonical metabolic roles in regulation of cytokines and anti-apoptotic responses (79, 80). For example, PKM2 also stabilizes HIF-1α promoting inflammatory M1 macrophage differentiation. Use of a small molecule modulator of PKM2 to prevent nuclear translocation has potential for driving a shift toward an M2 phenotype and restoration of tolerance in diseases such as RA. The hexokinase (HK) enzymes are also important regulators of metabolism. HK1 is known to drive cleavage and activation of pro-IL-1β in macrophages via the NLPR3 inflammasome and the downstream activation of caspase 1 (81), though this has not been studied in STM. HK2 also binds to the mitochondrial membrane via its interaction with the outer membrane porin protein (also termed the voltage-dependent anion channel (VDAC)) and this interaction inhibits the release of intermembrane pro-apoptotic proteins, thereby protecting cells from apoptosis. Importantly, the expression‎ of HK2 is increased in RA FLS compared to OA FLS, and might provide an important link between metabolism and apoptosis resistance in the RA synovium (60).

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RA 활막에서의 포도당 대사 (Glucose metabolism in the RA synovium)

포도당과 글루타민, 지방산, 케톤체 등의 다른 대사물질은

대사가 활발한 조직에서 미토콘드리아 트리카르복실산(TCA) 회로를 통해 대사될 수 있지만,

세포 활성화나 염증 조직에서는

산화적 인산화에서 호기성 당분해(aerobic glycolysis)로의 전환이 자주 일어난다(71).

이는 다양한 생합성 경로를 지원하며,

결과적으로 증식과 사이토카인 생산에 필요한 대사 요구를 충족시킨다.

가속화된 포도당 대사는

증식성과 활성화된 세포의 특징(hallmark)이며(72),

임상 영상으로도 관찰할 수 있다.

여러 연구에서 당분해 세포가 흡수하여 FDG-인산염을 형성하는 fluoro-2-deoxyglucose (FDG)를 이용하였으며, 양전자방출단층촬영(PET)으로 부은 관절에 FDG가 축적되는 것을 확인하였다(73). 실제로 혈청 전달 관절염 동물 모델에서 BrPa를 투여하여 당분해를 억제하자 관절염 중증도가 유의하게 감소하였는데, 이는 포도당 대사가 병리적 과정을 연료로 공급하는 데 중요하며 RA 치료의 유망한 표적이 될 수 있음을 보여준다(60).

그러나 Weyand et al.이 최근 발표한 리뷰에서 대식세포와 T세포를 비교하며 지적했듯이, 동일한 미세환경에 존재하는 세포라도 대사물을 다르게 이용할 수 있다(74). 따라서 성공적인 치료를 위해서는 서로 다른 활막세포에서의 포도당 이용 양상을 세밀하게 구분해야 하며, 치료제는 반드시 세포 유형 특이적이어야 한다.

활막 조직의 대사 프로파일링 결과, RA에서 FLS는 일관되게 기저 포도당 대사가 변화되어 있음이 밝혀졌으며(34, 35, 75), 우리 연구팀을 포함한 여러 연구에서 PDGF나 TNF 같은 자극이 체외에서 당분해와 미토콘드리아 호흡을 모두 증가시킨다는 사실을 확인하였다(60). 또한 포도당 수송체 GLUT1은 저산소와 사이토카인에 반응하여 상향조절되며, RA FLS의 표현형 변화와 상관관계가 있다(59, 60).

포도당 제거 또는 2-deoxy-D-glucose (2-DG), bromopyruvate (BrPa)(60), 3-(3-Pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one (59) 등의 당분해 억제제는 RA FLS에서 사이토카인 분비, 증식, 이동, 침윤을 모두 저해하는 것으로 나타났다. 활성화된 대식세포에서도 포도당 대사가 증가하지만, STM에 대한 데이터는 아직 없다.

포도당 대사를 당분해에서 오탄당 인산 경로(PPP)로 우회시키는 것은 일부 세포의 생합성 기능을 지원하는 데 중요하다. T세포 연구에서 elevated pentose-shunt 활성과 phosphofructokinase 상향조절로 인해 당분해 flux가 저해된다는 사실이 밝혀지면서 RA에서 이 경로의 역할이 강조되었다(76). 앞서 기술한 RA 활막세포의 미토콘드리아 반응과 증가된 ROS 생산을 고려할 때, 이들 세포에서도 포도당이 PPP를 통해 증가하여 세포질 NADPH를 생산하고, 세포질 및 미토콘드리아 구획에서 ROS 해독 효소 시스템의 환원력을 강화할 것으로 예상된다.

실제로 총 활막세포에서는 포도당 대사(PPP와 당분해 모두)의 전반적인 증가가 관찰되었고(4), 최근 FLS의 대사체 프로파일링 연구(77)에서는 RA에서 OA 대비 당분해와 PPP의 대사물질이 모두 유의하게 증가하였으며, 아민, 지방산, 인산염, 유기산 계열의 다른 대사물질도 함께 증가한 것으로 나타났다. 이는 PPP의 중요성을 시사하지만, FLS와 상주 STM 집단에서 PPP의 역할, NADPH 생산의 중요성, 그리고 glutathione 산화 경로와 같은 다른 항산화 기전은 아직 세부적으로 규명되지 않았다. 이러한 연구는 RA 치료의 새로운 기회를 제공할 수 있을 것이다.

포도당 대사물, 대사 효소, TCA 회로 중간체는 대사 외에도 이차적 역할을 하는 것으로 밝혀지고 있다. 예를 들어 succinate는 활성화된 대식세포와 쥐 활막 섬유아세포에서 전사인자 HIF-1α를 안정화시켜 당분해를 촉진한다(55, 78). Succinate를 비롯한 α-ketoglutarate, fumarate, acetyl-CoA 등의 대사물은 저산소 조건에서 대식세포와 FLS에 축적될 것으로 예상되며, 중요한 후성유전학적 변화를 유발하여 만성 염증을 지속시키는 데 기여할 가능성이 있다(55, 78).

또한 일부 필수 당분해 효소는 핵 또는 미토콘드리아로 이동하여 본래의 대사 역할과 무관하게 사이토카인 조절과 항세포사 반응을 조절하는 것으로 보고되었다(79, 80). 예를 들어 PKM2는 HIF-1α를 안정화시켜 전염증성 M1 대식세포 분화를 촉진한다. PKM2의 핵 이동을 막는 저분자 조절제를 사용하면 M2 표현형으로의 전환을 유도하고 RA와 같은 질환에서 면역 관용을 회복할 가능성이 있다.

Hexokinase (HK) 효소도 대사의 중요한 조절자이다. HK1은 대식세포에서 NLRP3 인플라마솜을 통해 pro-IL-1β의 절단과 활성화를 유도하고 caspase-1을 활성화하는 것으로 알려져 있다(81). 그러나 STM에서는 아직 연구되지 않았다. HK2는 외막 porin 단백질(voltage-dependent anion channel, VDAC)과 결합하여 미토콘드리아 막에 부착되며, 이는 막간(intermembrane) pro-apoptotic 단백질의 방출을 억제하여 세포를 세포사로부터 보호한다. 중요한 점은 HK2 발현이 OA FLS에 비해 RA FLS에서 증가한다는 것이며, 이는 RA 활막에서 대사와 세포사 저항성 사이의 중요한 연결 고리가 될 수 있다(60).

Lipid metabolism in the RA synovium

Though a complex and incomplete picture, lipids are known to be important in fueling adaptive immunity and in resolution of inflammation (8, 82). A few studies have described lipid changes in RA FLS, although this has not been studied in STM. Metabolomic profiling has shown perturbation of lipid metabolism in RA FLS versus OA cells (34), and recent studies have identified important roles for molecules which interact with lipids such as choline, an important component of membrane phospholipids which may be limiting in proliferating cells such as RA FLS. Choline C-11 PET scanning, which is already in clinical use to identify prostate cancer metastasis, showed increased uptake in inflammatory arthritis joints (83) and choline is present at elevated levels in RA FLS and synovium (34, 75). Of interest, choline like transporter (CTL)1 (high-affinity) and CTL2 (low-affinity) are also highly expressed in RA FLS and the functional inhibition of choline transporters promoted apoptotic FLS cell death (84). We have also shown possible therapeutic benefit in targeting choline kinase (ChoKα), the enzyme that catalyzes the first step in the cytidine diphosphate-choline pathway and which is essential for phosphatidylcholine (PC) biosynthesis. Its inhibition suppressing migration and enhancing apoptosis in cultured RA FLS, and significantly decreasing experimental arthritis in pre-treatment protocols as well as in established disease (35). Related to PC metabolism, phospholipase D (PLD) enzymes specifically cleave PC producing phosphatidic acid (PA) and choline. Agonist-induced PLD activation results in PA synthesis thought to be involved in a variety of rapid cellular responses such as cytokine secretion (85). In RA FLS and RA synovial biopsy explants, PLD isoform-specific inhibitors significantly reduced constitutive secretion of IL-6 and IL-8, further highlighting the importance of phospholipid metabolism in inflammation (86). Another study showed that activated inflammatory arthritis FLS from humans and animal models express significant quantities of autotaxin, which catalyzes the conversion of lysophosphatidylcholines (LPC) to lysophosphatidic acid (LPA). Notably, high levels of LPC and low PC/LPC ratios in plasma were shown to represent a reliable measure of inflammation (87). TNF induced autotaxin expression‎ from FLS and LPA, in turn, induced an activated FLS phenotype in synergy with TNF (88, 89). Conditional genetic ablation of autoxin in mesenchymal cells, including FLS, resulted in disease attenuation in animal models of arthritis (90).

RA 활막에서의 지질 대사 (Lipid metabolism in the RA synovium)

아직 복잡하고 불완전한 그림이지만,

지질은 적응 면역을 연료로 공급하고 염증 해소에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다(8, 82).

RA FLS에서 지질 변화에 대한 몇몇 연구가 있었으나

STM에서는 아직 연구되지 않았다.

대사체 프로파일링 결과 RA FLS에서 OA 세포 대비 지질 대사가 교란되어 있음이 확인되었으며(34),

최근 연구에서는 지질과 상호작용하는 분자(예: 콜린)의 중요한 역할이 밝혀졌다.

콜린은

막 인지질의 주요 구성 성분으로,

RA FLS와 같은 증식 세포에서 제한적일 수 있다.

이미 전립선암 전이 진단에 임상적으로 사용 중인 Choline C-11 PET 스캔은

염증성 관절염 관절에서 증가된 흡수를 보였으며(83),

RA FLS와 활막에서도 콜린 수치가 증가되어 있다(34, 75).

흥미롭게도

choline-like transporter (CTL)1 (고친화성)과 CTL2 (저친화성)가 RA FLS에서 높게 발현되며,

콜린 수송체를 기능적으로 억제하면 FLS의 세포사가 촉진되었다(84).

우리 연구팀은 또한 cytidine diphosphate-choline 경로의 첫 번째 단계를 촉매하는 효소인 choline kinase (ChoKα)를 표적화하는 것이 치료적 이점이 있을 수 있음을 보여주었다. ChoKα 억제는 배양된 RA FLS에서 이동을 억제하고 세포사를 증가시켰으며, 예방 투여와 이미 확립된 질환 모델 모두에서 실험적 관절염을 유의하게 감소시켰다(35).

포스파티딜콜린(PC) 대사와 관련하여 phospholipase D (PLD) 효소는 PC를 특이적으로 절단하여 phosphatidic acid (PA)와 콜린을 생성한다. 작용제에 의한 PLD 활성화는 PA 합성을 유발하며, 이는 사이토카인 분비 등 다양한 빠른 세포 반응에 관여하는 것으로 생각된다(85). RA FLS와 RA 활막 생검 explant에서 PLD isoform 특이적 억제제는 IL-6와 IL-8의 구성적 분비를 유의하게 감소시켜 인지질 대사가 염증에 중요함을 다시 한번 강조하였다(86).

또 다른 연구에서는 인간과 동물 모델의 활성화된 염증성 관절염 FLS가 autotaxin을 다량 발현한다는 사실이 밝혀졌는데, autotaxin은 lysophosphatidylcholine (LPC)을 lysophosphatidic acid (LPA)로 전환하는 효소이다. 혈장에서 높은 LPC와 낮은 PC/LPC 비율은 염증의 신뢰할 수 있는 지표로 제시되었다(87). TNF는 FLS에서 autotaxin 발현을 유도하였고, LPA는 TNF와 시너지 효과를 발휘하여 활성화된 FLS 표현형을 유도하였다(88, 89). 중간엽 세포(FLS 포함)에서 autotaxin을 조건적으로 유전자 결실시키자 관절염 동물 모델에서 질병이 완화되었다(90).

Metabolic coupling of cells in the RA synovium

The problem with many of the studies described above is that they tend to treat FLS and STM as if they exist in isolation. But metabolism is not a private function, and metabolites produced by one cell can have profound effects on the biology of another. As described above, metabolites such as succinate, citrate and isocitrate accumulate in inflammatory macrophages and control metabolism in a feedback loop. It is possible that such metabolites derived from STM might have a role in influencing metabolism and function of proximal FLS, but this is yet to be investigated. Indeed, metabolite exchange between stromal and parenchymal cells is an essential function common to numerous metabolically active tissues including muscle, nerve, kidney, liver and testicle. SLC including the monocarboxylate transporters (MCT) are employed as a means of physiological metabolic coupling between different cell types, as extensively reviewed (91). Here macrophage-like cells commonly provide high-energy metabolic intermediates such as lactate and pyruvate to bioenergetically demanding partner cells where they can anaplerotically fuel the TCA cycle. A similar mechanism has been identified in epithelial cancers where both Warburg and so called ‘Reverse-Warburg’ metabolisms have been demonstrated and highlighted as therapeutic targets (92). The Warburg effect describes upregulation of aerobic glycolysis in the tumor cell itself and in the presence of ample oxygen. The ‘Reverse-Warburg effect’ describes a situation in which cancer-associated fibroblasts (CAF) provide lactate, ketone bodies and amino acids passed through MCT to fuel tumor cell proliferative behavior (93), as well as local angiogenesis associated with metastasis (94). Due to commonalities in cell behavior and microenvironment, one could hypothesize that similar symbiotic relationships might exist in the synovium to fuel immune cell effector function and FLS pathogenic behavior (Figure 4). Fujii et al showed in 2015 that late stage RA FLS have elevated levels of MCT4 compared to OA and that siRNA knockdown of MCT4 reduced arthritis severity in the murine collagen-induced arthritis model, linking their findings to apoptosis resistance and synovial acidification (95). Expulsion via MCT4 is likely to be a necessary mechanism to protect cells from damaging effects of lactate accumulation. However, whether the lactate can be taken up and utilized by other cells is unknown. It is very likely that the role of MCTs and the sharing of metabolites between cells will differ during the course of RA as a reflection of mitochondrial health and changes to the joint microenvironment. Consequently, it will be important to study metabolic coupling in normal tissue and in the acute phase of disease to determine whether such relationships exist and if so, exploit their therapeutic potential, as is showing promise in cancer (96).

RA 활막에서의 세포 간 대사 결합 (Metabolic coupling of cells in the RA synovium)

위에서 기술한 많은 연구들의 문제점은 FLS와 STM을 마치 서로 독립적으로 존재하는 것처럼 취급한다는 점이다. 그러나 대사는 사적인(private) 기능이 아니며, 한 세포가 생산한 대사물이 다른 세포의 생물학에 중대한 영향을 미칠 수 있다.

앞서 언급했듯이, succinate, citrate, isocitrate와 같은 대사물질은 염증성 대식세포에서 축적되어 피드백 루프를 통해 대사를 조절한다. STM에서 유래한 이러한 대사물질이 근접한 FLS의 대사와 기능에 영향을 미칠 가능성이 있지만, 아직 이에 대한 연구는 이루어지지 않았다.

실제로 기질세포(stromal cell)와 실질세포(parenchymal cell) 간의 대사물질 교환은 근육, 신경, 신장, 간, 고환 등 대사가 활발한 다양한 조직에서 공통적으로 나타나는 필수적인 기능이다. Monocarboxylate transporter (MCT)를 포함한 용질 운반체(SLC)는 서로 다른 세포 유형 간의 생리적 대사 결합(metabolic coupling)을 위한 수단으로 광범위하게 이용된다(91).

여기서 대식세포 유사 세포는 흔히 lactate와 pyruvate 같은 고에너지 대사 중간체를 제공하여, 생에너지적으로 부담이 큰 파트너 세포가 TCA 회로를 anaplerotically(보충적으로) 연료로 공급받을 수 있게 한다. 유사한 기전은 상피암에서 이미 확인되었으며, Warburg 대사와 소위 ‘Reverse-Warburg’ 대사가 모두 존재한다는 사실이 밝혀져 치료 표적으로 주목받고 있다(92).

Warburg 효과는 충분한 산소가 존재함에도 종양세포 자체에서 호기성 당분해가 상향조절되는 현상을 의미한다. ‘Reverse-Warburg 효과’는 암 관련 섬유아세포(cancer-associated fibroblasts, CAF)가 MCT를 통해 lactate, 케톤체, 아미노산 등을 종양세포에 공급하여 종양세포의 증식 행동을 지원하고(93), 전이와 관련된 국소 혈관 신생을 촉진하는 상황을 가리킨다(94).

세포 행동과 미세환경의 공통점을 고려할 때, 활막 내에서도 면역세포의 effector 기능과 FLS의 병원성 행동을 연료로 공급하기 위한 유사한 공생적 관계(symbiotic relationships)가 존재할 가능성이 충분히 있다(Figure 4).

Fujii et al.은 2015년에 말기 RA FLS에서 OA 대비 MCT4 수준이 증가되어 있으며, MCT4를 siRNA로 knockdown하면 마우스 collagen-induced arthritis 모델에서 관절염 중증도가 감소한다는 사실을 보여주었다. 이들은 이러한 효과를 세포사 저항성과 활막 산성화와 연관지었다(95). MCT4를 통한 lactate 배출은 세포가 lactate 축적의 해로운 영향으로부터 스스로를 보호하기 위한 필수적인 기전으로 보인다. 그러나 이 lactate가 다른 세포에 의해 흡수되어 이용될 수 있는지는 아직 알려지지 않았다.

MCT의 역할과 세포 간 대사물질 공유는 RA 진행 과정에 따라 미토콘드리아 건강 상태와 관절 미세환경의 변화에 따라 달라질 가능성이 매우 크다. 따라서 정상 조직과 질병의 급성기에서 대사 결합(metabolic coupling)을 연구하는 것이 중요하며, 이러한 관계가 실제로 존재하는지 확인하고, 암 치료에서 이미 유망한 결과를 보이고 있는 것처럼(96) 그 치료적 잠재력을 활용할 필요가 있다.

Figure 4. The ‘reverse Warburg’ effect in cancer and rheumatoid arthritis?

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In epithelial tumours, the reactive oxygen species (ROS) produced by metabolically active cancer cells causes mitochondria-selective autophagy (mitophagy) and activate hypoxia inducible factor 1α (HIF1α) in local cancer-associated fibroblasts (CAF). As a result the CAF upregulate aerobic glycolysis, producing copious lactate which is expelled from the cell via monocarboxylate transporter 4 (MCT4) and taken up by the cancer cell via MCT1. Lactate, pyruvate and other metabolic intermediates such as amino acids and ketone bodies can feed the mitochondrial TCA cycle in cancer cells or indeed local endothelium to increase ATP and biomolecule synthesis and drive pathogenic proliferation, invasion and metastasis. MCT 1 and 4 can be blocked in vitro using the small molecule inhibitor α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (4CIN) and in vivo using AZD3965, which is in early phase clinical trials for treatment of small cell lung cancer. In RA it is known that mitochondrial damage, HIF1α activation and upregulation of MCT4 can be induced in late stage disease FLS by the pathogenic microenvironment but the metabolic relationships between these cells and other cells within the joint have yet to be elucidated.

상피 종양에서의 대사 결합

상피 종양에서는 대사가 활발한 암세포가 생산한 활성산소종(ROS)이 주변 암 관련 섬유아세포(cancer-associated fibroblasts, CAF)에서 미토콘드리아 선택적 자가포식(mitophagy)을 유발하고 hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α)를 활성화한다. 그 결과 CAF는 호기성 당분해를 상향조절하여 다량의 lactate를 생산하고, 이를 monocarboxylate transporter 4 (MCT4)를 통해 세포 밖으로 배출한다. 이 lactate는 암세포가 MCT1을 통해 흡수한다.

Lactate, pyruvate, 아미노산, 케톤체 등의 대사 중간체는 암세포 또는 주변 내피세포의 미토콘드리아 TCA 회로에 공급되어 ATP와 생체 분자 합성을 증가시키고, 병원성 증식, 침윤, 전이를 촉진한다.

MCT1과 MCT4는 체외에서는 소분자 억제제 α-cyano-4-hydroxycinnamic acid (4CIN)로 차단할 수 있으며, 생체 내에서는 AZD3965로 억제 가능하다. AZD3965는 소세포폐암 치료를 위한 초기 임상시험 단계에 있다.

RA에서는 병원성 미세환경에 의해 말기 질환 FLS에서 미토콘드리아 손상, HIF-1α 활성화, MCT4 상향조절이 유발되는 것으로 알려져 있지만, 이들 세포와 관절 내 다른 세포 간의 대사적 관계는 아직 밝혀지지 않았다.

Expanding knowledge of fibroblast metabolism

The study of metabolism in cultured synovial cells has been important in understanding RA biology. Such studies have illustrated a ‘metabolic memory’ which is epigenetically imprinted upon cells in an inflammatory microenvironment and is lasting in in vitro culture. Metabolomic analysis continues to be a useful strategy for providing a metabolic snapshot on the status of such cells and to hint toward pathways worthy of further study. Use of technologies such as the Seahorse analyzer to observe bioenergetic responses, small molecule metabolic inhibitors and animal models have also played a role in expanding our current understanding of the field. However, for capturing the dynamic processes that regulate cellular metabolism, stable isotope metabolic tracer analysis is a powerful technique not yet applied to synoviocytes (97). This technique provides a comprehensive biological overview, allowing simulation and reconstruction of metabolism, and can provide insight at the compartment level (e.g. mitochondria versus cytoplasm, depending upon the tracer) (98). The increased concentration of a metabolite can be associated to either the upregulation of the enzyme responsible for synthesis or the downregulation of the one consuming it and metabolic tracer analysis allows these processes to be deconvoluted where traditional metabolomics is less informative (99, 100). Several heavy isotopes are available and include deuterium (2H), nitrogen (15N), oxygen (18O) but the most commonly used is carbon (13C). The most common isotopically labeled tracers are 13C-glucose and 13C-glutamine as these metabolites are main energy sources in many mammalian systems (101). Recent development of approaches to apply tandem mass spectrometry (MS/MS) to isotope tracing has offered the opportunity to determine positional labeling based on mass fragmentation (102).

As alluded to above, studying metabolic relationships of synoviocytes after treatment (103), and between FLS and STM within the RA synovium is an important future direction. Stable isotope analysis in concert with small molecule inhibitors will allow us to trace metabolite exchange between cells in culture. There is also a pressing need for conditional knock out animals to observe the importance of metabolite channels, transporters and enzymes in inflammatory diseases as an area of great therapeutic potential. Finally, better histological markers are improving our understanding of FLS subsets, resident and infiltrating STM and the tissue organization of these cells. Imaging mass spectrometry can provide a metabolomic snapshot on a per pixel basis and may reveal spatially distinct metabolic signatures and important metabolic heterogeneity within the synovial environment (104).

섬유아세포 대사에 대한 지식 확대 (Expanding knowledge of fibroblast metabolism)

배양된 활막 세포에서 대사를 연구하는 것은 RA 생물학을 이해하는 데 중요했다. 이러한 연구들은 염증 미세환경에서 세포에 후성유전학적으로 각인되는 ‘대사 기억(metabolic memory)’을 보여주었으며, 이는 체외 배양 조건에서도 지속된다.

대사체 분석(metabolomic analysis)은 이러한 세포의 대사 상태를 스냅샷으로 제공하고 추가 연구가 필요한 경로를 암시하는 데 여전히 유용한 전략이다. Seahorse 분석기를 이용한 생에너지 반응 관찰, 소분자 대사 억제제, 동물 모델 등의 기술도 이 분야의 이해를 넓히는 데 기여했다.

그러나 세포 대사를 조절하는 동적 과정을 포착하기 위해서는 아직 활막세포에 적용되지 않은 안정 동위원소 대사 추적자 분석(stable isotope metabolic tracer analysis)이 매우 강력한 기술이다(97). 이 기법은 대사를 종합적으로 조망하고 시뮬레이션·재구성할 수 있게 하며, 구획 수준(예: 미토콘드리아 vs 세포질, 추적자에 따라)에서 통찰을 제공한다(98).

대사물질 농도의 증가는 합성 효소의 상향조절 또는 소비 효소의 하향조절과 관련될 수 있는데, 전통적인 대사체학으로는 구분하기 어려운 이러한 과정을 동위원소 추적 분석으로 분리(deconvolute)할 수 있다(99, 100).

사용 가능한 중동위원소로는 중수소(²H), 질소(¹⁵N), 산소(¹⁸O)가 있으며, 가장 흔히 사용되는 것은 탄소(¹³C)이다. 가장 일반적인 동위원소 표지 추적자는 ¹³C-glucose와 ¹³C-glutamine으로, 이들은 많은 포유류 시스템에서 주요 에너지원이다(101). 최근 tandem mass spectrometry (MS/MS)를 동위원소 추적에 적용하는 방법이 개발되어 질량 단편화에 기반한 위치별 표지(positional labeling) 분석이 가능해졌다(102).

앞서 언급했듯이, 치료 후 활막세포의 대사 관계(103)와 RA 활막 내 FLS와 STM 사이의 대사 관계를 연구하는 것은 중요한 미래 방향이다. 소분자 억제제와 함께 안정 동위원소 분석을 사용하면 배양 조건에서 세포 간 대사물질 교환을 추적할 수 있다.

또한 염증 질환에서 대사물질 채널, 수송체, 효소의 중요성을 관찰하기 위한 조건적 knockout 동물 모델이 절실히 필요하며, 이는 치료적 잠재력이 매우 큰 분야이다.

마지막으로, 더 나은 조직학적 마커는 FLS 서브셋, 상주 및 침윤 STM, 그리고 이들 세포의 조직 내 배치를 이해하는 데 도움이 되고 있다. 이미징 질량분석법(imaging mass spectrometry)은 픽셀 단위로 대사체 스냅샷을 제공하여 활막 환경 내 공간적으로 구분된 대사 지형(spatially distinct metabolic signatures)과 중요한 대사 이질성(metabolic heterogeneity)을 드러낼 수 있다(104).

Metabolic pathways as therapeutic targets in rheumatoid arthritis

The metabolic rewiring of immune cells has been viewed as a promising source of novel drug targets (8, 14, 105) but resetting metabolism in tissues central to RA pathogenesis offers additional opportunities for disease modulation and restoration of homeostasis in RA. In fact, rheumatologists already use the antimetabolites methotrexate (MTX) and leflunomide for the treatment of patients with inflammatory arthritis. Both drugs inhibit the reproduction of rapidly dividing cells such as lymphocytes, but have also been shown to inhibit FLS functions (106, 107). Of interest, sulfasalazine, which was initially developed as an anti-inflammatory drug to treat rheumatoid arthritis, was subsequently found to inhibit XCT, a cystine–glutamate exchange transporter (108).

Targeted approaches to metabolic inhibition are required to inhibit aggressive behavior in pathological cell types and leave those which aid resolution intact. Potentiation or restoration of protective mechanisms such as mitochondrial fusion and biogenesis and mechanisms which promote resolution of inflammation may also be favorable. Indeed, small molecules such as Mdivi1 which potentiate mitochondrial fusion have already shown potential in animal models of sepsis and may have further reaching applications (109). In addition, metformin is used in clinical management of type II diabetes and has shown promise in mouse models of arthritis (110). Though its effects on FLS are unknown, it is thought to act upon immune cells both by inhibiting complex I of the mitochondrial electron transport chain and through effects on the signaling molecule AMPK. Other AMPK activators, which will control cell proliferation and promote mitochondrial biogenesis might be another approach (43, 44).

Inhibitors of the signaling molecule PI3K which regulates glycolysis upstream of mTOR are in early stage clinical trials for cancer and show potential in RA (111). Furthermore, blockers of key glycolytic enzymes including phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (PFKFB3) are showing promise to work in synergy with other inhibitors that target the angiogenic factor VEGF (112). Inhibiting glycolytic intermediates including succinate or lactate production could be of interest if proven to fuel synovial cell activation. Use of a small molecule modulator of PKM2 to prevent nuclear translocation has also potential for driving a shift toward an M2 phenotype and restoration of tolerance in diseases such as RA. In FLS, HK2 release from the mitochondrial membrane could potentially trigger FLS apoptosis. However, a better understanding of the signaling pathways which dictate the metabolic phenotype of immune and stromal cells in RA is required to capitalize on this area.

Blockers of the MCT which are central to metabolic coupling have been used in as yet unpublished first-in-man trials for epithelial cancers, and the effects of their knockdown in experimental arthritis suggest they offer potential in RA (95). Other solute carrier transporters, including Glut1, aminoacids or choline are potential therapeutic targets yet to be explored in arthritis. Furthermore, better stratification of patients through prognostic metabolomic analysis (16) and techniques such as choline C-11 PET scanning (83) may improve treatment of non-responders to existing therapies. Overall, whether targeting metabolism truly presents an option to increase the drug armamentarium in rheumatic diseases remains to be determined.

류마티스 관절염에서 대사 경로를 치료 표적으로 활용하기 (Metabolic pathways as therapeutic targets in rheumatoid arthritis)

면역세포의 대사 재배선(metabolic rewiring)은 새로운 약물 표적의 유망한 원천으로 여겨져 왔으나(8, 14, 105), RA 발병의 중심 조직에서 대사를 재설정하는 것은 질병 조절과 항상성 회복을 위한 추가적인 기회를 제공한다.

실제로 류마티스 전문의들은 이미 항대사물질인 methotrexate (MTX)와 leflunomide를 염증성 관절염 치료에 사용하고 있다. 두 약물 모두 빠르게 분열하는 림프구의 증식을 억제할 뿐만 아니라 FLS 기능도 억제하는 것으로 밝혀졌다(106, 107). 흥미롭게도, 처음에는 항염증제로 개발된 sulfasalazine은 나중에 cystine–glutamate 교환 수송체인 xCT를 억제하는 것으로 밝혀졌다(108).

병리적 세포 유형의 공격적 행동은 억제하면서 염증 해소에 도움이 되는 세포는 그대로 유지할 수 있는 표적화된 대사 억제 접근법이 필요하다. 미토콘드리아 융합과 생합성, 염증 해소를 촉진하는 보호 기전을 강화하거나 회복시키는 것도 유리할 수 있다.

실제로 미토콘드리아 융합을 강화하는 소분자 Mdivi1은 패혈증 동물 모델에서 이미 잠재력을 보였으며 더 넓은 적용 가능성이 있다(109). 또한 제2형 당뇨병 치료에 사용되는 metformin은 관절염 마우스 모델에서도 유망한 결과를 보였다(110). FLS에 대한 효과는 아직 알려지지 않았으나, 미토콘드리아 전자전달계 complex I 억제와 AMPK 신호 조절을 통해 면역세포에 작용하는 것으로 생각된다. 세포 증식을 조절하고 미토콘드리아 생합성을 촉진하는 다른 AMPK 활성화제도 하나의 접근법이 될 수 있다(43, 44).

mTOR 상류에서 당분해를 조절하는 신호 분자 PI3K 억제제는 암 치료를 위한 초기 임상시험 단계에 있으며 RA에서도 잠재력을 보이고 있다(111). 또한 phosphofructokinase-2/fructose-2,6-bisphosphatase 3 (PFKFB3) 같은 핵심 당분해 효소 차단제는 혈관신생 인자 VEGF 표적 억제제와 시너지 효과를 보일 가능성이 있다(112).

Succinate나 lactate 생산과 같은 당분해 중간체를 억제하는 것도 활막 세포 활성화를 연료로 공급한다면 유용할 수 있다. PKM2의 핵 이동을 막는 소분자 조절제는 M2 표현형으로의 전환을 유도하고 RA 같은 질환에서 면역 관용 회복에 잠재력이 있다.

FLS에서는 HK2를 미토콘드리아 막에서 해리시키면 FLS 세포사를 유발할 가능성이 있다. 그러나 RA에서 면역세포와 기질세포의 대사 표현형을 결정하는 신호 경로에 대한 더 깊은 이해가 필요하다.

대사 결합의 핵심인 MCT 차단제는 상피암을 대상으로 아직 발표되지 않은 first-in-man 임상시험에서 사용되었으며, 실험적 관절염 모델에서 knockdown 효과를 고려할 때 RA에서도 잠재력이 있다(95). Glut1, 아미노산 수송체, 콜린 수송체 등 다른 용질 운반체도 관절염에서 아직 탐색되지 않은 잠재적 치료 표적이다.

또한 예후 대사체 분석(16)과 choline C-11 PET 스캔(83) 같은 기술을 통한 환자 층화(stratification) 개선은 기존 치료에 반응하지 않는 환자의 치료를 향상시킬 수 있다.

전반적으로 대사를 표적화하는 것이 류마티스 질환의 치료 무기고를 실제로 확대할 수 있을지는 아직 결론을 내리기 이르다.

Summary

Systemic metabolism, immunometabolism and stromal metabolism are altered in RA and a growing body of publications in this field offers novel biomarkers for patient stratification and avenues for treatment. However, we are far from an exhaustive understanding of the pathways which discern the normal or pathogenic phenotypes of cells resident to the synovium in order to capitalize on these therapeutic opportunities. It will be important to better understand mitochondrial metabolism and dynamics, which are sparsely studied in the synovium, with a view to harnessing fusion and biogenesis pathways to restore mitochondrial health and tip the balance away from aerobic glycolysis in RA. Future directions toward single cell transcriptomic analysis and use of cells sorted directly from synovial tissue promises to improve our understanding of FLS and STM biology and there is a need for metabolic profiling of these cells prior to dedifferentiation associated with cell culture. Growing evidence suggests that multiple fibroblast and macrophage subsets are present in the inflamed synovium and their characterization will aid in directing new treatment toward those with a pathogenic and not a protective phenotype. Furthermore, the metabolic interactions between FLS, STM and infiltrating immune cells are unexplored and lessons from cancer biology suggest this will provide further avenues for therapeutic intervention. There is a pressing need for techniques such as stable isotope-based metabolic tracer analysis to track these interactions. Finally, a strategic window of opportunity exists such that RA patients receiving disease modifying treatments within 3 months of symptom development show a much improved prognosis when compared to those treated after this time point (113). To date, all studies of FLS metabolism have been conducted in cells derived from the joints of late stage disease patients after arthroplasty and studies of macrophages have utilized cells differentiated from monocytes in vitro. As we begin to understand that transient metabolic responses in acute inflammation may differ significantly from metabolic adaptation to damage in chronic inflammation, characterization of cells from uninflamed and earliest stages of human disease is needed to inform appropriate future therapeutic strategies with the ultimate goal of drug-free remission or cure for RA.

요약 (Summary)

전신 대사, 면역대사, 기질 대사는

RA에서 모두 변화되어 있으며,

이 분야의 연구가 늘어나면서 환자 층화를 위한 새로운 바이오마커와 치료 방향이 제시되고 있다.

그러나

활막 상주 세포의 정상 또는 병원성 표현형을 구분하는 경로를 철저히 이해하지 못한 상태이므로,

이러한 치료 기회를 충분히 활용하기에는 아직 멀었다.

활막에서 거의 연구되지 않은 미토콘드리아 대사와 동역학을 더 잘 이해하고,

융합과 생합성 경로를 활용하여 미토콘드리아 건강을 회복하고

호기성 당분해에서 벗어나는 방향으로 균형을 전환하는 것이 중요하다.

단일세포 전사체 분석과 활막 조직에서 직접 분리한 세포를 이용하는 미래 연구 방향은

FLS와 STM 생물학 이해를 크게 향상시킬 것이다.

특히 세포 배양으로 인한 탈분화(dedifferentiation) 전에

이들 세포의 대사 프로파일링이 필요하다.

염증 활막에는

여러 섬유아세포와 대식세포 서브셋이 존재한다는 증거가 늘고 있으며,

이들을 특성화하면 병원성 표현형을 가진 세포를 선택적으로 표적화하는 새로운 치료를 개발하는 데 도움이 될 것이다.

또한 FLS, STM, 침윤 면역세포 간의 대사적 상호작용은 아직 탐색되지 않았으며,

암 생물학에서 얻은 교훈은 이 영역이 추가적인 치료 개입의 길을 열어줄 것임을 시사한다.

이러한 상호작용을 추적하기 위해 안정 동위원소 기반 대사 추적자 분석 같은 기술이 절실히 필요하다.

마지막으로,

증상 발현 후 3개월 이내에 질병 조절 치료를 받는 RA 환자는

그 이후에 치료를 시작한 환자에 비해 예후가 훨씬 좋다는 전략적 치료 창구(strategic window of opportunity)가 존재한다(113).

현재까지 모든 FLS 대사 연구는

관절 치환술을 받은 말기 환자의 관절에서 유래한 세포로 수행되었고,

대식세포 연구는 체외에서 단핵구를 분화시킨 세포를 이용하였다.

급성 염증에서의 일시적 대사 반응이 만성 염증에서의 손상 적응 대사와 크게 다를 수 있다는 점을 고려할 때,

비염증 상태와 인간 질환의 가장 초기 단계 세포를 특성화하는 연구가 필요하다.

이는 궁극적으로 RA의 약물 없는 관해(drug-free remission) 또는 완치를 목표로 하는 적절한 미래 치료 전략을 수립하는 데 필수적이다.

Acknowledgments

M.G. was supported by NIH 1K08AR064834, R03AR068094 and Rheumatology Research Foundation. This work was also supported by grants from the NIHR/Welcome Trust Clinical Research Facility, University Hospitals Birmingham NHS Foundation Trust and from Arthritis Research UK Grants: Targeting fibroblasts in the treatment of inflammatory arthritis (19791), Rheumatoid Arthritis Pathogenesis Centre of Excellence grant (20298) and Arthritis Research UK Experimental Arthritis Treatment Centre (20015).

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